(57)【要約】  基板（１００）上に形成されたフィン型半導体領域（１０２）にプラズマドーピング法を用いて不純物を導入することにより、不純物導入層（１０５）を形成する。また、フィン型半導体領域（１０２）にプラズマドーピング法を用いて炭素を導入することにより、不純物導入層（１０５）の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層を形成する。
2011013271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたフィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて不純物を導入することにより、不純物導入層を形成する工程と、
前記フィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて炭素を導入することにより、前記不純物導入層の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程と、前記炭素導入層を形成する工程とを同一チャンバー内で実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程と、前記炭素導入層を形成する工程とを、前記不純物を含むガスと炭素を含むガスとの混合ガスを用いて同時に実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程は、前記フィン型半導体領域の内部に結晶層を残存させつつ、前記不純物導入層の少なくとも一部分と重複するようにアモルファス層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程の後に、熱処理を行って前記アモルファス層を結晶回復させる工程をさらに備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれを、０．３５ｐａ以下の圧力で実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれを、２５０Ｖ以下のバイアス電圧で実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれのプラズマ処理時間の合計は７２秒以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれのプラズマ処理時間の合計は、当該両工程での圧力及びバイアス電圧に基づいて予め設定されている上限時間以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程を、ボロン、砒素及びリンの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含む第１のガスを用いて実施し、
前記炭素導入層を形成する工程を、炭素を含む第２のガスを用いて実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガス及び前記第２のガスをそれぞれヘリウムによって希釈して用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２のガスは、炭素と水素とからなるガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガスは、ボロンと水素とからなるガス、砒素と水素とからなるガス、又はリンと水素とからなるガスであり、
前記第２のガスは、炭素と水素とからなり且つ前記第１のガスよりも分子量が小さいガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガスは、Ｂ2 Ｈ6 であり、
前記第２のガスは、ＣＨ4 （メタン）であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガスは、ＡｓＨ3 であり、
前記第２のガスは、ＣＨ4 （メタン）、Ｃ2 Ｈ6 （エタン）、Ｃ3 Ｈ6 （シクロプロパン）、Ｃ3 Ｈ8 （プロパン）、Ｃ4 Ｈ10（ブタン）、又はＣ4 Ｈ10（イソブタン）であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガスは、ＰＨ3 であり、
前記第２のガスは、ＣＨ4 （メタン）又はＣ2 Ｈ6 （エタン）であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法に用いられるプラズマドーピング装置であって、
前記基板が載置されるチャンバーと、
前記チャンバー内に、前記不純物を含むガスを供給する第１のガス供給部と、
前記チャンバー内に、炭素を含むガスを供給する第２のガス供給部とを備えていることを特徴とするプラズマドーピング装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプラズマドーピング装置において、
前記チャンバー内に、希釈ガスを供給する第３のガス供給部をさらに備えていることを特徴とするプラズマドーピング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及びプラズマドーピング装置に関し、特に、フィン型半導体領域を備えた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板等を基板とする半導体装置の微細化のために、プレーナ型やフィン型の半導体装置が検討されている。これらの半導体装置においては、ソース・ドレイン・エクステンション領域（以下、単にエクステンション領域という）を用いてショートチャネル効果を抑制することが主流となっている。このショートチャネル効果を抑制するためには、エクステンション領域を浅く形成すると共にエクステンション領域に不純物を高濃度で注入することが必要である。【０００３】
そのために、１９８０年代後半からプラズマを用いて不純物をシリコン等に注入するプラズマドーピングという技術が開発され始めた（非特許文献１参照）。また、１９９０年代後半からは、プラズマドーピングを用いてエクステンション領域を高不純物濃度で浅く形成するための研究開発が行われている（非特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１２５９１６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】B. Mizuno 他、Plasma Doping into the side-wall of a sub-0.5μm width Trench、Ext. Abs. of International Conference on SSDM、1987年、p.317
【非特許文献２】D. Lenoble 他、Evaluation of Plasma Doping for sub-0.18μm Devices、1998 Int. Conf. Ion Implantation Technology Proc. 、1999年、p.1222
【非特許文献３】H. Kawasaki他、Demonstration of Highly Scaled FinFET SRAM Cells with High-k/Metal Gate and Investigation of Characteristic Variability for the 32 nm node and beyond、International Electron Device Meeting technical digest、2008年、p.237
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の非特許文献１、２に開示されている従来の製造方法によると、フィン型ＦＥＴ（field effect transistor ）等のフィン型半導体装置（フィン型半導体領域を基板上に有する半導体装置）がさらに微細化された場合に必要となる極浅接合のエクステンション領域を形成できないため、ショートチャネル効果を十分に抑制することができない。【０００７】
前記に鑑み、本発明は、フィン型半導体装置において所望の浅接合を持つ不純物導入層を形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、フィン型半導体装置の製造に特許文献１等に開示されている方法、つまり、シリコン基板に炭素及び不純物を順次イオン注入して熱処理を行うことにより、格子間シリコンを炭素によってトラップして不純物の深さ方向の拡散を抑制し、それにより、極浅接合の不純物層を形成する方法を適用することを検討してみた。【０００９】
ところが、特許文献１の方法に従って、フィン型半導体領域に対して、イオン注入法によりＡｓイオンの注入を実施した後、イオン注入法により炭素イオンの注入を実施したところ、次のような問題点が発生することが分かった。【００１０】
図７は、フィン型半導体領域に対してＡｓイオンの注入を実施した場合のフィン型半導体装置断面の模式図である（非特許文献３参照）。図７に示すように、レジストパターン５０３をマスクとして、シリコン基板５００上にシリコン酸化膜５０１を介して形成されたフィン型半導体領域５０２の側面にＡｓをイオン注入するためには、イオン注入角度（対象物に対してイオンが垂直に注入される場合を０°とする）をシリコン基板５００に対して垂直ではなく傾いた角度に設定する必要がある。しかし、このイオン注入角度を大きくしすぎると、Ａｓイオンがレジストパターン５０３に遮られてフィン型半導体領域５０２に到達できなくなる。すなわち、フィン型半導体領域５０２の側面にＡｓイオンを注入できるイオン注入角度は、フィン型半導体領域５０２の高さ、レジストパターン５０３の高さ、フィン型半導体領域５０２同士の間の距離等によって決まる範囲に限られる。図７に示す場合、フィン型半導体領域５０２の高さを６０ｎｍ、フィン型半導体領域５０２の幅を１０ｎｍ、フィン型半導体領域５０２同士の間の距離を２０ｎｍ、レジストパターン５０３の高さを２１０ｎｍとして、イオン注入角度を１２度に設定している。この場合、フィン型半導体領域５０２の左側の側面にＡｓを注入するための第１の注入と、フィン型半導体領域５０２の右側の側面にＡｓを注入するための第２の注入、つまり２回のイオン注入が必要となり、生産性の低下という第１の問題が生じてしまう。尚、フィン型半導体領域５０２の上部には第１及び第２の注入により不純物注入層５０４が形成され、フィン型半導体領域５０２の左側部には第１の注入により不純物注入層５０５が形成され、フィン型半導体領域５０２の右側部には第２の注入により不純物注入層５０６が形成される。【００１１】
ところで、前述のように、イオン注入角度を１２度に設定した場合、フィン型半導体領域５０２の上面にはＡｓが１２度の角度で衝突する一方、フィン型半導体領域５０２の側面にはＡｓが７８度の角度で衝突する。ここで、１２度程度の小さなイオン注入角度で衝突したＡｓイオンは、半導体領域中に入り易い一方、７８度程度の大きなイオン注入角度で衝突したＡｓイオンは、その多くが半導体領域表面ではじき返されて半導体領域中に入りにくい。特に、エクステンション領域の形成に用いられるような低エネルギーでのイオン注入においては、７８度もの大きなイオン注入角度でイオンが半導体領域表面と衝突した場合、半導体領域の内部に入ることができるイオンの割合は全注入イオン量の１０％程度と非常に少なくなる。このように、図７に示す場合、第１の注入によりフィン型半導体領域５０２の上部に注入されたＡｓのドーズ量と、第１の注入によりフィン型半導体領域５０２の左側部に注入されたＡｓのドーズ量との間には、例えば１０：１程度の大きな差が生じてしまう。第２の注入においても同様のことが起きるので、２回のＡｓ注入工程の後においては、フィン型半導体領域５０２の上部の注入ドーズ量とフィン型半導体領域５０２の各側部の注入ドーズ量との差は、１０：１よりもはるかに大きな差となってしまう。以上に述べたことは、炭素イオンの注入でも実質的に同様である。すなわち、特許文献１の方法をフィン型半導体装置の製造に適用した場合、フィン型半導体領域の側部に形成される不純物層の抵抗を低くすることが難しいという第２の問題が生じてしまう。【００１２】
さらに、図７に示すように、マスクとなるレジストパターン５０３に囲まれた領域内に複数本（具体的には５本）のフィン型半導体領域５０２が並んでいる場合、一番左側のフィン型半導体領域５０２に注目すると、第１の注入を実施しても、当該フィン型半導体領域５０２の左側部には、Ａｓイオンがレジストパターン５０３によって遮られて注入されることはない。すなわち、一番左側のフィン型半導体領域５０２の左側部には不純物注入層５０５が形成されない。同様の理由により、一番右側のフィン型半導体領域５０２に注目すると、第２の注入を実施しても、当該フィン型半導体領域５０２の右側部にはＡｓイオンが注入されないので、当該フィン型半導体領域５０２の右側部には不純物注入層５０６が形成されない。それに対して、５本並んだフィン型半導体領域５０２のうち中央に位置する３本のフィン型半導体領域５０２においては、第１の注入と第２の注入とによってフィン型半導体領域５０２の両側面にＡｓイオンが注入されるので、不純物注入層５０５及び５０６が形成される。以上のように、特許文献１の方法をフィン型半導体装置の製造に適用した場合、基板上においてフィン型半導体領域同士の間で不純物注入層の抵抗に大きな違いが生じる結果、基板面内において各フィン型半導体装置のオン電流が不均一になるという第３の問題が生じてしまう。【００１３】
そこで、本願発明者らは、前述の第１の問題（イオン注入が２回必要となる問題）、第２の問題（フィン型半導体領域側部の不純物層の抵抗が高くなる問題）及び第３の問題（基板面内において各フィン型半導体装置のオン電流が不均一になる問題）を回避するために、フィン型半導体領域に炭素及び不純物をプラズマドーピング法を用いて導入する方法を想到した。この方法によれば、フィン型半導体領域の両側部に不純物を１回のプラズマドーピングで導入することができるので、イオン注入と比べて、スループットを向上させることができる。また、イオン注入と比べて、フィン型半導体領域の側部に対する不純物の導入が容易になるので、フィン型半導体領域の側部に低抵抗の不純物層を形成することができる。さらに、各フィン型半導体領域の注入ドーズ量を均一にすることができるので、基板面内における各フィン型半導体装置のオン電流を均一にすることができる。尚、この方法において、炭素のプラズマドーピングと不純物のプラズマドーピングとを同一チャンバー内で実施すれば、装置台数の増加を招くことなく、前述の効果を得ることができる。一方、炭素及び不純物のイオン注入には、炭素注入用の装置と不純物注入用の装置の少なくとも２台の装置が必須である。【００１４】
さらに、本願発明者らは、種々の条件において炭素及び不純物をプラズマドーピング法を用いて導入してみたところ、以下のような知見を得た。【００１５】
例えばＡｓの導入をプラズマドーピングによって実施する場合、Ａｓの注入量を所望の値にするために、Ａｓを含むガスを水素などの希釈ガスによって希釈した混合ガスを用いると共に当該混合ガス中におけるＡｓを含むガスの濃度を調整することが一般的である。具体的には、プラズマドーピングにおいてＡｓのドーズ量の制御性を確保するためには、ＡｓＨ3 を水素によって希釈してＡｓＨ3 の濃度を５％以下の低濃度に設定することが必要である。このような混合ガスからなるプラズマを用いた場合、Ａｓ導入のためのプラズマドーピング工程において、基板上に注入マスクとしてパターニング形成されたレジストの表面にはＡｓイオンが衝突するだけではなく、希釈ガスがプラズマ化することによって発生した水素イオンなどの希釈ガス由来のイオンもレジストの表面に衝突する。ここで、レジスト表面にプラズマ中のイオンが衝突を繰り返すと、レジストが硬化してしまい、洗浄やアッシングなどのレジスト除去工程でレジストを除去することが困難になってしまう。ここで、不純物であるＡｓイオンの衝突によってレジストが硬化するだけではなく、希釈ガス由来のイオン（例えば水素イオン）の衝突によってもレジストが硬化してしまう。すなわち、Ａｓ導入のためのプラズマドーピング工程では、Ａｓイオンの衝突量に加えて、希釈ガス由来のイオンの衝突量に応じてレジストの硬化が進むことになる。【００１６】
同様に、炭素の導入をプラズマドーピングによって実施する場合にも、炭素の注入量を所望の値にするために、炭素を含むガスを水素などの希釈ガスによって希釈し、炭素を含むガスの濃度を調整することが一般的である。従って、炭素導入のためのプラズマドーピング工程では、炭素イオンの衝突量に加えて、希釈ガス由来のイオンの衝突量に応じてレジストの硬化が進むことになる。【００１７】
そこで、本願発明者らは、フィン型半導体領域に炭素及び不純物を同時にプラズマドーピング法を用いて導入する方法、つまり、炭素及び不純物の両方を含むガスからなるプラズマを用いてプラズマドーピングを実施する方法を想到した。この方法によると、以下のような問題の発生を防止することができる。【００１８】
すなわち、不純物（例えばＡｓ）導入のためのプラズマドーピング工程と、炭素導入のためのプラズマドーピング工程とを別々に実施した場合、Ａｓイオンの衝突量と炭素イオンの衝突量との合計に応じた硬化レベルであればレジスト除去が可能となる条件であったとしても、各プラズマドーピング工程で用いられる希釈ガス由来のイオンの衝突量のために、レジストが硬化してしまって除去できなくなるという問題が発生する可能性がある。【００１９】
特に、Ａｓ導入のためのプラズマドーピング工程におけるＡｓを含むガスの濃度が希釈ガスの濃度よりも小さく、且つ、炭素導入のためのプラズマドーピング工程における炭素を含むガスの濃度が希釈ガスの濃度よりも小さいようなプラズマドーピング条件では、レジスト除去が不可能になりやすい。詳しくは、不純物や炭素を含むガスの濃度を低くし、且つ希釈ガスの濃度を高くしたプラズマドーピング条件の場合には、Ａｓ導入のためのプラズマドーピング工程と炭素導入のためのプラズマドーピング工程とを別々に実施すると、両工程における希釈ガス由来のイオンの衝突量が、各単独の工程における希釈ガス由来のイオンの衝突量と比較して非常に大きくなってしまうので、希釈ガス由来のイオンの衝突に起因するレジスト硬化が主要因となってレジストが除去できなくなる場合がある。【００２０】
このようなイオンの衝突に起因するレジスト硬化の問題は、イオン注入では起こり得ないプラズマドーピングに特有の問題である。すなわち、例えばＡｓをイオン注入する場合、Ａｓイオン以外のイオンは質量分析器によって予め分離されているので、Ａｓイオン以外のイオンが基板上のレジストに衝突することはない。同様に、炭素をイオン注入する場合も、炭素イオン以外のイオンは質量分析器によって予め分離されているので、炭素イオン以外のイオンが基板上のレジストに衝突することはない。従って、Ａｓイオン注入工程と炭素イオン注入工程とを別々に実施したとしても、レジストに衝突するイオンはＡｓイオン及び炭素イオンのみであるので、レジスト除去を容易に行うことができる。【００２１】
以上のように、フィン型半導体領域に対してプラズマドーピングを用いてＡｓなどの不純物の導入と炭素の導入とを実施する場合、レジスト除去性を確保するという観点からは、希釈ガス由来のイオンの衝突量をできるだけ低減させる必要があるという知見を得て、本願発明者らは、フィン型半導体領域に炭素及び不純物を同時にプラズマドーピング法を用いて導入する方法を想到をしたのである。【００２２】
尚、炭素及び不純物のプラズマドーピングを同時に行わない場合であっても、炭素及び不純物のそれぞれのプラズマドーピングに要する合計時間を十分に低減することにより、レジスト除去性を確保できることは言うまでもない。【００２３】
例えば、プラズマドーピング時のフィン型半導体領域の上部コーナーの削れを防止するために、チャンバー内圧力を例えば０．３５Ｐａに設定すると共に、プラズマドーピングによるエクステンション形成やソース・ドレイン形成においてゲート電極下側領域への不純物の回り込みを防止するために、バイアス電圧（Ｖｐｐ）を２５０Ｖに設定した場合、レジスト除去性の観点から、不純物（例えばＡｓ）のプラズマドーピング工程と炭素のプラズマドーピング工程の２つの工程でフィン型半導体領域をプラズマに曝す合計時間（プラズマ照射時間の合計）は７２秒以下であることが好ましい。すなわち、プラズマ照射時間の合計が７２秒以下であれば、薬液洗浄等によってレジストを容易に除去することができる。逆に、プラズマ照射時間の合計が７２秒よりも長くなると、レジストの硬化が進み、薬液洗浄等によってレジスト除去が困難になってしまう。【００２４】
ここで、前述の各数値は例示であって、チャンバー内圧力やバイアス電圧等のプラズマドーピング条件に応じて、レジスト除去性の観点からプラズマ照射時間の合計に対する適切な制限（上限時間）を課せばよいことは言うまでもない。例えば、チャンバー内圧力を０．３５Ｐａよりも小さく設定すれば、又はバイアス電圧を２５０Ｖよりも小さく設定すれば、プラズマ照射時間の合計を前述の７２秒よりも大きくすることができる。【００２５】
尚、フィン型半導体領域に炭素及び不純物をプラズマドーピングする際に用いる炭素を含むガスや不純物を含むガスは酸素を含まないことが好ましい。このようにすると、フィン型半導体領域を構成する半導体や導入された不純物の酸化を防止できるため、フィン型半導体領域に形成された不純物層（例えばエクステンション領域）の抵抗の増大を防止できる結果、フィン型半導体装置の特性劣化を防止できる。具体的には、炭素を含むガスとしては、例えば炭素と水素とからなるガスを用い、不純物を含むガスとしては、例えば不純物と水素とからなるガスを用いてもよい。【００２６】
また、フィン型半導体領域に炭素及び不純物をプラズマドーピングする際に用いる炭素を含むガスや不純物を含むガスを希釈する希釈ガスとしては、ヘリウムを用いることが好ましい。このようにすると、ヘリウムは比較的原子量が小さい元素であるので、希釈ガス由来のヘリウムイオンによってフィン型半導体領域の上部コーナーが削られることを抑制できる。尚、水素は原子量が最小の元素であるが、プラズマ中において水素ラジカルがシリコンと結合してＳｉx Ｈy を生成するために、水素のプラズマはヘリウムのプラズマよりもフィン型半導体領域を削る能力が大きいので、希釈ガスとしては、他の元素との反応性が著しく低いヘリウムの方が水素よりも好ましい。【００２７】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであって、具体的には、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に形成されたフィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて不純物を導入することにより、不純物導入層を形成する工程と、前記フィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて炭素を導入することにより、前記不純物導入層の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層を形成する工程とを備えている。【００２８】
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、フィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて不純物導入層と共に炭素導入層を形成するため、不純物の深さ方向の拡散を抑制できるので、極浅接合の不純物導入層を形成することができる。また、フィン型半導体領域内において互いに結合した不純物同士を炭素によって分離することができるため、不純物導入層形成後の活性化熱処理による不純物の活性化率を向上させることができる。また、フィン型半導体領域の両側部に不純物を１回のプラズマドーピングで導入することができるので、イオン注入を用いる場合と比べて、スループットを向上させることができる。また、イオン注入を用いる場合と比べて、フィン型半導体領域の側部に対する不純物の導入が容易になるので、フィン型半導体領域の側部に低抵抗の不純物導入層を形成することができる。さらに、不純物導入層を形成する際にマスクとなるレジストパターン等が複数本のフィン型半導体領域を囲んでいるような場合にも、各フィン型半導体領域への注入ドーズ量を均一にすることができるので、基板面内における各フィン型半導体装置のオン電流を均一にすることができる。【００２９】
尚、本発明に係る半導体装置の製造方法において、炭素に代えて例えば窒素を用いても、前述の効果を得ることができる。【００３０】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程と、前記炭素導入層を形成する工程とを同一チャンバー内で実施すると、装置台数の増加を招くことなく、前述の効果を得ることができる。この場合に、前記不純物導入層を形成する工程と、前記炭素導入層を形成する工程とを、前記不純物を含むガスと炭素を含むガスとの混合ガスを用いて同時に実施すると、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。【００３１】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程が、前記フィン型半導体領域の内部に結晶層を残存させつつ、前記不純物導入層の少なくとも一部分と重複するようにアモルファス層を形成する工程を含むと、導入不純物の活性化アニールを高効率で行うことができるので、不純物導入層をより低抵抗化することができる。この場合、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程の後に、熱処理を行って前記アモルファス層を結晶回復させる工程をさらに備えていてもよい。【００３２】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれを、０．３５ｐａ以下の圧力で実施すると、プラズマドーピング時にフィン型半導体領域の上部コーナーが削られることを防止することができる。この場合、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれを、２５０Ｖ以下のバイアス電圧で実施すると、プラズマドーピング時におけるゲート電極下側領域への不純物の回り込みを防止することができる。さらに、この場合、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれのプラズマ処理時間の合計が７２秒以下であると、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。【００３３】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれのプラズマ処理時間の合計が、当該両工程での圧力及びバイアス電圧に基づいて予め設定されている上限時間以下であると、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。【００３４】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程を、ボロン、砒素及びリンの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含む第１のガスを用いて実施し、前記炭素導入層を形成する工程を、炭素を含む第２のガスを用いて実施してもよい。この場合、前記第１のガス及び前記第２のガスをそれぞれヘリウムによって希釈して用いると、プラズマドーピング時にフィン型半導体領域の上部コーナーが削られることを防止することができる。また、この場合、前記第２のガスが、炭素と水素とからなるガスであると、フィン型半導体領域を構成する半導体や導入された不純物の酸化を防止できるため、フィン型半導体領域に形成された不純物導入層（例えばエクステンション領域）の抵抗の増大を防止できる結果、フィン型半導体装置の特性劣化を防止できる。また、この場合、前記第１のガスが、ボロンと水素とからなるガス、砒素と水素とからなるガス、又はリンと水素とからなるガスであり、前記第２のガスが、炭素と水素とからなり且つ前記第１のガスよりも分子量が小さいガスであると、フィン型半導体領域を構成する半導体や導入された不純物の酸化を防止できるため、フィン型半導体領域に形成された不純物導入層（例えばエクステンション領域）の抵抗の増大を防止できる結果、フィン型半導体装置の特性劣化を防止できると共に、次のような効果も得られる。すなわち、炭素導入層を不純物導入層よりも深く形成できるため、より接合の浅い不純物導入層を形成することができる。このような効果を得るためには、例えば、前記第１のガスはＢ2 Ｈ6 であり、前記第２のガスはＣＨ4 （メタン）であってもよい。或いは、前記第１のガスはＡｓＨ3 であり、前記第２のガスはＣＨ4 （メタン）、Ｃ2 Ｈ6 （エタン）、Ｃ3 Ｈ6 （シクロプロパン）、Ｃ3 Ｈ8 （プロパン）、Ｃ4 Ｈ10（ブタン）、又はＣ4 Ｈ10（イソブタン）であってもよい。或いは、前記第１のガスはＰＨ3 であり、前記第２のガスはＣＨ4 （メタン）又はＣ2 Ｈ6 （エタン）であってもよい。但し、炭素導入層に起因するリーク電流の発生を防止するために、炭素導入層を不純物導入層よりも浅く形成してもよい。【００３５】
本発明に係るプラズマドーピング装置は、以上に述べた本発明に係る半導体装置の製造方法に用いられるプラズマドーピング装置であって、前記基板が載置されるチャンバーと、前記チャンバー内に、前記不純物を含むガスを供給する第１のガス供給部と、前記チャンバー内に、炭素を含むガスを供給する第２のガス供給部とを備えている。【００３６】
本発明に係るプラズマドーピング装置によると、本発明に係る半導体装置の製造方法を実施することを可能とする。特に、不純物導入層を形成する工程と、炭素導入層を形成する工程とを同一チャンバー内で実施することを可能とするため、装置台数の増加を招くことなく、本発明に係る半導体装置の製造方法による前述の効果を得ることができる。【００３７】
本発明に係るプラズマドーピング装置において、前記チャンバー内に、希釈ガスを供給する第３のガス供給部をさらに備えていてもよい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によると、スループットの低下や装置台数の増加を招くことなく、フィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて不純物及び炭素を導入できるため、製造時の経済性を改善しつつ、半導体デバイス、特に、フィン型半導体装置等の３次元デバイスの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプロセスフローである。
【図２】図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程における半導体装置の構造を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いるプラズマドーピング装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法においてプラズマドーピングを実施する場合の各ガスの流量とバイアス電圧の時間変化を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程における半導体装置の構造を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法においてプラズマドーピングを実施する場合の各ガスの流量とバイアス電圧の時間変化を示す図である。
【図７】図７は、従来の半導体装置の製造方法の一工程における半導体装置の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法及びプラズマドーピング装置について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施形態では、一例として、ＩＣＰ（inductively coupled plasma）型のプラズマドーピング装置においてＢ2 Ｈ6 とＣＨ4 とをＨｅによって希釈した混合ガスのプラズマを用いて、０．３５Ｐａという通常よりも低い圧力でプラズマドーピングを行うことによって、ボロンをフィン型半導体領域の上面に注入すると共にフィン型半導体領域の側面に注入し又は付着させると同時に、炭素をフィン型半導体領域の上面に注入すると共にフィン型半導体領域の側面に注入し又は付着させた後、注入し又は付着させたボロンを熱処理によって電気的に活性化させることによって、フィン型半導体装置のオン電流を向上させる場合について説明する。
【００４１】
図１は、本実施形態に係る半導体装置（具体的にはフィン型半導体装置）の製造方法のプロセスフローであり、図２（ａ）〜（ｆ）は、図１に示すプロセスフローの各工程におけるフィン型半導体装置の構造を示す斜視図である。
【００４２】
まず、ステップＳ１において、図２（ａ）に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板１００上に絶縁膜（ＢＯＸ酸化膜）１０１を介して形成されたシリコン層（つまりＳＯＩ（semiconductor on insulator）基板の上部シリコン層）がパターニングされてなる複数のフィン型半導体領域１０２を跨ぐようにゲート絶縁膜（図示省略）を介してゲート電極１０３を形成する。ここで、各フィン型半導体領域１０２の幅（Ｗｆｉｎ）は例えば１０ｎｍであり、各フィン型半導体領域１０２の高さ（Ｈｆｉｎ）は例えば６０ｎｍであり、各フィン型半導体領域１０２同士の間隔（Ｓ）は例えば２０ｎｍであり、ゲート幅（Ｗｇ）は例えば２０ｎｍである。
【００４３】
次に、ステップＳ２において、図２（ｂ）に示すように、所望のドーパント（例えば、ボロン）を注入する領域を開口部としたレジストパターン１０４を絶縁膜１０２上に形成する。ここで、レジストパターン１０４の高さは例えば２１０ｎｍである。
【００４４】
次に、ステップＳ３において、プラズマドーピング法を用いて各フィン型半導体領域１０２に、ボロンと炭素とを含むプラズマを照射する。これにより、図２（ｃ）に示すように、ゲート電極１０３の外側の各フィン型半導体領域１０２の上部及び側部に、エクステンション領域１０５となるボロン導入層が形成されると共に、当該ボロン導入層の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層（図示省略）が形成される。
【００４５】
ここで、プラズマドーピング条件は、例えば、プラズマ発生方式がＩＣＰプラズマ方式であり、原料ガスがＨｅで希釈したＢ2 Ｈ6 とＣＨ4 との混合ガスであり、原料ガス中でのＢ2 Ｈ6 濃度及びＣＨ4 濃度がそれぞれ０．５質量％及び０．２質量％であり、チャンバー内圧力が０．３５Ｐａであり、ソースパワー（プラズマ生成用高周波電力）が５００Ｗであり、バイアス電圧Ｖｐｐが２５０Ｖであり、基板温度が２０℃であり、プラズマ照射時間は７２秒である。但し、プラズマ照射時間７２秒のうち最初の１２秒間にはバイアス電圧の印加を行わず、残りの６０秒間に２５０Ｖのバイアス電圧を印加した。
【００４６】
次に、ステップＳ４において、図２（ｄ）に示すように、例えば薬液洗浄によりレジストパターン１０４を除去した後、ステップＳ５において、図２（ｅ）に示すように、ゲート電極１０３の側面を覆うように絶縁性サイドウォールスペーサ１０６を形成することによって、エクステンション領域１０５を保護する。
【００４７】
次に、ステップＳ６において、各フィン型半導体領域１０２にボロンを比較的深く注入する。これにより、図２（ｆ）に示すように、ゲート電極１０３及び絶縁性サイドウォールスペーサ１０６の外側の各フィン型半導体領域１０２の上部及び側部にソース・ドレイン領域１０７が形成される。その後、ステップＳ７において、活性化アニールを実施することにより、エクステンション領域１０５及びソース・ドレイン領域１０７のそれぞれのボロンを電気的に活性化する。このとき、エクステンション領域１０５にはプラズマドーピングによりアモルファスシリコンに改質された層にボロンだけではなく炭素が注入され又は付着しているので、活性化アニールによって多数のボロンを電気的に活性化することができるので、各フィン型半導体領域１０２の上部及び側部のエクステンション領域１０５を低抵抗化することができる。
【００４８】
以上の工程によって、フィン型半導体装置の主要部を完成させることができる。
【００４９】
本実施形態の半導体装置の製造方法によると、フィン型半導体領域１０２にプラズマドーピング法を用いて不純物導入層（具体的にはエクステンション領域１０５）と共に炭素導入層を形成するため、不純物（具体的にはボロン）の深さ方向の拡散を抑制できるので、極浅接合の不純物導入層を形成することができる。また、フィン型半導体領域１０２内において互いに結合した不純物同士を炭素によって分離することができるため、不純物導入層形成後の活性化熱処理による不純物の活性化率を向上させることができる。また、フィン型半導体領域１０２の両側部に不純物を１回のプラズマドーピングで導入することができるので、イオン注入を用いる場合と比べて、スループットを向上させることができる。また、イオン注入を用いる場合と比べて、フィン型半導体領域１０２の側部に対する不純物の導入が容易になるので、フィン型半導体領域１０２の側部に低抵抗の不純物導入層を形成することができる。さらに、不純物導入層を形成する際にマスクとなるレジストパターン１０４が複数本のフィン型半導体領域１０２を囲んでいるような場合にも、各フィン型半導体領域１０２への注入ドーズ量を均一にすることができるので、基板面内における各フィン型半導体装置のオン電流を均一にすることができる。
【００５０】
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によると、不純物導入層を形成する工程と前記炭素導入層を形成する工程とを同一チャンバー内で同時に実施するため、装置台数の増加を招くことなく、前述の効果を得ることができると共に、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。
【００５１】
尚、本実施形態の半導体装置の製造方法において、炭素に代えて例えば窒素を用いても、前述の効果を得ることができる。
【００５２】
また、本実施形態の半導体装置の製造方法において、ステップＳ３のプラズマドーピングを０．３５ｐａ以下の圧力で実施することが好ましい。このようにすると、プラズマドーピング時にフィン型半導体領域１０２の上部コーナーが削られることを防止することができる。
【００５３】
また、本実施形態の半導体装置の製造方法において、ステップＳ３のプラズマドーピングを２５０Ｖ以下のバイアス電圧で実施することが好ましい。このようにすると、プラズマドーピング時におけるゲート電極１０３の下側領域への不純物の回り込みを防止することができる。
【００５４】
また、本実施形態の半導体装置の製造方法において、ステップＳ３のプラズマドーピングを０．３５ｐａのチャンバー内圧力、２５０Ｖのバイアス電圧で実施する場合には、ステップＳ３のプラズマ処理時間の合計を７２秒以下に設定することが好ましい。このようにすると、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。ここで、チャンバー内圧力を０．３５Ｐａよりも小さく設定すれば、又はバイアス電圧を２５０Ｖよりも小さく設定すれば、ステップＳ３のプラズマ処理時間の合計を前述の７２秒よりも大きくすることができる。言い換えると、ステップＳ３のプラズマドーピングにおけるプラズマ処理時間の合計は、当該プラズマドーピングでのチャンバー内圧力及びバイアス電圧に基づいて予め設定されている上限時間以下であることが好ましい。
【００５５】
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法に用いるプラズマドーピング装置（以下、本実施形態のプラズマドーピング装置という）について説明する。図３は、本実施形態のプラズマドーピング装置の概略構成を示す断面図である。
【００５６】
図３に示すプラズマドーピング装置によると、真空容器（チャンバー）１内にガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置の一例としてのターボ分子ポンプ３により排気を行うことができる。ここで、調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。また、高周波電源５により例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を真空容器１の天板７の近傍に設けられたコイル８に供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させることができる。真空容器１内に天板７と対向するように設けられた試料電極６上には、試料の一例としてのシリコン基板（基板上にフィン型半導体領域が形成されているものとする）９が載置される。ここで、試料電極６は、例えばシリコン基板９を載置可能な略円形状の台座である。また、試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、高周波電源１０はシリコン基板９がプラズマに対して負の電位を持つように、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。制御装置２０は、ガス供給装置２（不純物原料ガス供給装置２ａ、ヘリウム供給装置２ｂ、炭素原料ガス供給装置２ｃ、不純物原料ガス供給装置２ｄ、ヘリウム供給装置２ｅ、炭素原料ガス供給装置２ｆ、第１〜第６マスフローコントローラＭＦＣ１〜ＭＦＣ６を含む）、ターボ分子ポンプ３、調圧弁４、高周波電源５及び高周波電源１０のそれぞれに接続されており、これらの動作を制御する。また、制御装置２０の制御下で行われるこれらの動作は、必要に応じて、記憶部２１に情報として記憶されると共に、記憶部２１に予め記憶された情報を制御装置２０が読み取ることによりこれらの動作が実施される。
【００５７】
以上のような構成を有する図３に示すプラズマドーピング装置において、真空容器１内に生成されたプラズマ中のイオンをシリコン基板９の表面に向かって加速して衝突させたり、プラズマ中のガス構成分子やラジカルを試料の一例としてのシリコン基板９の表面に吸着させたりすることによって、シリコン基板９の表面に不純物を導入することができる。尚、ガス供給装置２から供給されたガスは、真空容器１底部の排気口１Ａからターボ分子ポンプ３へと排気される。ターボ分子ポンプ３及び排気口１Ａは、試料電極６の直下に配置されている。
【００５８】
また、図３に示すプラズマドーピング装置においては、ガス供給装置２から、天板７における試料電極６に対向する真空容器内面７ａとは反対側の表面（外面）７ｂの略中央部に立設されたガス流路形成部材（天板７の一部として構成されていてもよい）１７までは、第１ガス供給配管１１と第２ガス供給配管１３との少なくとも２本の配管によりガスが供給される。さらに、ガス流路形成部材１７から天板７内へと少なくとも２本のガス流路（第１ガス流路１５及び第２ガス流路１６）が延伸しており、天板７の中央（つまり基板９の中心軸）に対して回転対称にそれぞれ配置された基板中央部用ガス吹き出し穴１２及び基板周辺部用ガス吹き出し穴１４から真空容器１の内部にガスがそれぞれ供給される。
【００５９】
本実施形態においては、ガス供給装置２から第１ガス供給配管１１を使用して、天板７の外面７ｂの中央部に立設したガス流路形成部材１７の上端部には、以下のようにしてガスが供給される。ここで、ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）ＭＦＣ１、ＭＦＣ２、ＭＦＣ３により、不純物原料ガスと炭素原料ガスとを含むプラズマドーピング処理用ガスの流量及び濃度を所定値に制御する。具体的には、本実施形態では、不純物原料ガス（一例としてジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ））と炭素原料ガス（一例としてメタン（ＣＨ4 ））とをヘリウムで希釈（Ｂ2 Ｈ6 については０．５質量％、ＣＨ4 については０．２質量％にそれぞれ希釈）したガスをプラズマドーピング処理用ガスとして用いる。このため、不純物原料ガス供給装置２ａから供給される不純物原料ガスの流量制御を第１マスフローコントローラＭＦＣ１により行うと共にヘリウム供給装置２ｂから供給されるヘリウム（Ｈｅ）の流量制御を第２マスフローコントローラＭＦＣ２により行うことに加えて、炭素原料ガス供給装置２ｃから供給される炭素原料ガスの流量制御を第３マスフローコントローラＭＦＣ３により行う。第１、第２及び第３マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２及びＭＦＣ３によって流量が制御された各ガスをガス供給装置２内で混合してプラズマドーピング処理用ガス（混合ガス）を生成した後、この混合ガスを第１ガス供給配管１１及びガス流路形成部材１７を通じて第１ガス流路１５に供給する。第１ガス流路１５に供給された混合ガスは、天板７におけるシリコン基板９に対向する真空容器内面７ａのうち基板中央部に対向する領域に形成された複数の基板中央部用ガス吹き出し穴１２から真空容器１内へと供給される。ここで、複数の基板中央部用ガス吹き出し穴１２から吹き出した混合ガスは、シリコン基板９の中央部に向けて供給されることになる。
【００６０】
同様に、ガス供給装置２から第２ガス供給配管１３を使用して、天板７の外面７ｂの中央部に立設したガス流路形成部材１７の上端部には、以下のようにしてガスを供給される。ここで、ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）ＭＦＣ４、ＭＦＣ５、ＭＦＣ６により、不純物原料ガスと炭素原料ガスとを含むプラズマドーピング処理用ガスの流量及び濃度を所定値に制御する。具体的には、本実施形態では、不純物原料ガス（一例としてジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ））と炭素原料ガス（一例としてメタン（ＣＨ4 ））とをヘリウムで希釈（Ｂ2 Ｈ6 については０．５質量％、ＣＨ4 については０．２質量％にそれぞれ希釈）したガスをプラズマドーピング処理用ガスとして用いる。このため、不純物原料ガス供給装置２ｄから供給される不純物原料ガスの流量制御を第４マスフローコントローラＭＦＣ４により行うと共にヘリウム供給装置２ｅから供給されるヘリウム（Ｈｅ）の流量制御を第５マスフローコントローラＭＦＣ５により行うことに加えて、炭素原料ガス供給装置２ｆから供給される炭素原料ガスの流量制御を第６マスフローコントローラＭＦＣ６により行う。第４、第５及び第６マスフローコントローラＭＦＣ４、ＭＦＣ５及びＭＦＣ６によって流量が制御された各ガスをガス供給装置２内で混合してプラズマドーピング処理用ガス（混合ガス）を生成した後、この混合ガスを第２ガス導入流路１３及びガス流路形成部材１７を通じて第２ガス流路１６に供給する。第２ガス流路１６に供給された混合ガスは、天板７におけるシリコン基板９に対向する真空容器内面７ａのうち基板周縁部に対向する領域に形成された複数の基板周辺部用ガス吹き出し穴１４から真空容器１内へと供給される。ここで、複数の基板周辺部用ガス吹き出し穴１４から吹き出した混合ガスは、シリコン基板９の周縁部に向けて供給されることになる。
【００６１】
以上のようにして、本実施形態では、不純物原料ガスの一例としてのジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）と、炭素原料ガスの一例としてのメタン（ＣＨ4 ）とをヘリウム（Ｈｅ）によって所望の質量濃度に希釈した混合ガスを真空容器１内に供給することができる。
【００６２】
従って、図３に示すようなプラズマドーピング装置を用いて同一の真空容器１内でＢ2 Ｈ6 とＣＨ4 とＨｅとの混合ガスからなるプラズマをシリコン基板９に照射してプラズマドーピング処理を行うことによって、ボロン及び炭素の導入を１台の装置で実施することができる。これは、イオン注入を用いる場合に、ボロン注入用の装置と炭素注入用の装置の少なくとも２台の装置が必要となるのに対して、経済性の点で非常に優位である。
【００６３】
図４は、本実施形態において前述のような混合ガスを用いてプラズマドーピングを実施する場合の各ガスの流量とバイアス電圧Ｖｐｐの時間変化を示している。本実施形態においては、図４に示すように、ｔ１の時点で、マスフローコントローラＭＦＣ１からＢ2 Ｈ6 ／Ｈｅ（Ｂ2 Ｈ6 をＨｅにより希釈したガス）を、マスフローコントローラＭＦＣ３からＣＨ4 ／Ｈｅ（ＣＨ4 をＨｅにより希釈したガス）をそれぞれ流し始める。尚、図示はしていないが、ｔ１の時点でマスフローコントローラＭＦＣ２からＨｅも流し始める。混合ガスからなるプラズマが安定した後に（例えばｔ１から１２秒後に）、バイアス電圧Ｖｐｐの印加を開始してプラズマ中のイオンをシリコン基板９に向けて加速することにより、当該イオンのシリコン基板９への注入を開始する。そして、バイアス電圧Ｖｐｐの印加を例えば６０秒間行った後、ｔ２の時点で各マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２、ＭＦＣ３からのガスの供給を停止すると共にバイアス電圧Ｖｐｐの印加も停止する。これにより、プラズマ放電はｔ２の時点で終了する。従って、本実施形態においては、１枚のシリコン基板（ウェハ）９のプラズマドーピング処理に要する放電時間は、ｔ１からｔ２までの時間（例えば７２秒）である。これは、例えば２５０Ｖという低バイアス電圧領域でイオン注入を用いた場合と比べると、格段に短い処理時間である。また、イオン注入を用いてフィン型半導体領域の両側部に不純物注入層を形成するためには、図７に示すように、少なくとも２回のイオン注入が必要であった。それに対して、本実施形態では、図２（ｃ）及び図５に示すように、１回のプラズマドーピング処理によって、フィン型半導体領域１０２の両側部に不純物注入層（具体的にはエクステンション領域１０５）を形成することができるので、本実施形態のプラズマドーピング処理時間は、イオン注入を用いた場合と比べて、より一層短くなる。これは、炭素の導入についても同様であるので、本実施形態によれば、短時間のプラズマドーピング処理によってフィン型半導体領域１０２の上部のみならず両側部にも、ボロン及び炭素をそれぞれ所望のドーズ量で導入することが可能となる。尚、図５は図２（ｃ）の斜視図に対応する断面図であるが、図７に示す従来構造との対比のために、図２（ｃ）に示す形状や寸法を変えて示している。
【００６４】
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によるアモルファス層形成について説明する。
【００６５】
前述のように、図２（ｃ）は、本実施形態のプラズマドーピング処理においてボロンと炭素とを含むプラズマをフィン型半導体領域１０２に照射した後の状態を示しており、図５は、図２（ｃ）の斜視図に対応する断面図である。このプラズマ照射により、フィン型半導体領域１０２の上面及び側面にボロン及び炭素が付着し又は注入される結果、フィン型半導体領域１０２の上部及び側部に、エクステンション領域１０５となるボロン導入層が形成されると共に、当該ボロン導入層の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層が形成される。ここで、図示は省略しているが、これらのボロン導入層及び炭素導入層と重複するように非結晶層（アモルファス層）が形成される。すなわち、フィン型半導体領域１０２を構成するシリコン結晶が、プラズマ中に含まれる大量のヘリウムイオンと少量のボロンイオン、炭素イオン及び水素イオンとの衝撃を受けることによってアモルファスシリコンに改質され、それにより、この非結晶層が形成されると考えられる。
【００６６】
本実施形態においては、図５に示すように、フィン型半導体領域１０２の内部（中央部）に結晶領域１０２ａを残存させつつ、プラズマドーピング処理を実施する。このようにすると、プラズマドーピング処理後のアニールによって、フィン型半導体領域１０２の中央部の結晶を種として非結晶層が結晶回復を起こす結果、アニール後にはフィン型半導体領域１０２の全体が結晶状態に回復するため、不純物導入層（つまりエクステンション領域１０５）の抵抗が下がるので、フィン型半導体装置のオン電流が向上する。尚、本実施形態においては、プラズマドーピング処理を例えば０．３５Ｐａという低い圧力で実施すると共にフィン型半導体領域１０２をプラズマに曝す時間を例えば７２秒という短い時間に設定しているため、フィン型半導体領域１０２の上部コーナーが削られる量を極端に小さく（例えば１ｎｍ未満に）することができるので、フィン型半導体装置のオン電流をさらに向上させることができる。また、本実施形態のプラズマドーピング処理によれば、例えば図５に示すように、レジストパターン１０４に囲まれるように配置された複数本のフィン型半導体領域１０２同士の間でボロン及び炭素の導入量に差が出る要因がないので、複数のフィン型半導体装置のオン電流の間に生じるばらつきが小さくなるという効果も得られる。
【００６７】
以上に説明したように、本実施形態においては、Ｂ2 Ｈ6 とＣＨ4 とＨｅとの混合ガスによるプラズマドーピング処理を行うことによって、フィン型半導体領域１０２の上面及び側面にボロン及び炭素を同時に注入し又は付着させることができるのみならず、非結晶層も同時に形成することができる。この非結晶層は、結晶と比べて光吸収率が高く、プラズマドーピング処理後のアニール時に光を効率良く吸収するので、ボロンの活性化率を向上させて不純物導入層（エクステンション領域１０５）の抵抗を低くすることができる。従って、本実施形態によれば、この非結晶層の形成をボロン及び炭素の導入と同時に行うことにより、良好なレジスト除去性を維持したまま、フィン型半導体領域１０２に形成される不純物導入層の低抵抗化、つまりフィン型半導体装置のオン電流の向上を実現することができる。尚、前述の非結晶層による効果の点では、この非結晶層をボロン導入層及び炭素導入層の全体を含むように深く形成することが好ましいが、プラズマドーピング処理後のアニールによって非結晶層を結晶回復させるために、フィン型半導体領域１０２の内部（中央部）に結晶領域１０２ａを残存させる必要がある。
【００６８】
尚、本実施形態において、図４に示すように、不純物を含むガス（例えばＢ2 Ｈ6 ／Ｈｅ）と炭素を含むガス（例えばＣＨ4 ／Ｈｅ）とを同時にチャンバー内に供給することにより、不純物導入層の形成と炭素導入層の形成とを同時に行った。しかし、これに代えて、例えば図６（ａ）に示すように、先に炭素を含むガス（例えばＣＨ4 ／Ｈｅ）をチャンバー内に供給して炭素導入層を形成した後、不純物を含むガス（例えばＢ2 Ｈ6 ／Ｈｅ）をチャンバー内に供給して不純物導入層を形成してもよい。この場合、炭素を含むガスの供給時間と不純物を含むガスの供給時間とが一部重なり合っていてもよい。或いは、例えば図６（ｂ）に示すように、先に不純物を含むガス（例えばＢ2 Ｈ6 ／Ｈｅ）をチャンバー内に供給して不純物導入層を形成した後、炭素を含むガス（例えばＣＨ4 ／Ｈｅ）をチャンバー内に供給して炭素導入層を形成してもよい。この場合も、不純物を含むガスの供給時間と炭素を含むガスの供給時間とが一部重なり合っていてもよい。但し、いずれの場合においても、不純物導入層形成工程と炭素導入層形成工程とのそれぞれのプラズマ照射時間の合計に対して、レジスト除去性の観点から、チャンバー内圧力やバイアス電圧等によって決まる上限時間が課される。また、この上限時間の範囲内にプラズマ照射時間の合計が収まるのであれば、不純物導入層形成工程及び炭素導入層形成工程のそれぞれを別々のプラズマドーピング装置（つまり別々のチャンバー）で実施してもよい。
【００６９】
また、本実施形態において、フィン型半導体領域１０２に不純物導入層（エクステンション領域１０５）を形成するために、不純物を含むガスとして、Ｂ2 Ｈ6 を用いたが、これに限らず、例えばボロン、砒素及びリンの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含むガスを用いてもよい。また、フィン型半導体領域１０２に炭素導入層を形成するために、炭素を含むガスとして、ＣＨ4 を用いたが、これに限らず、他の炭素を含むガスを用いてもよい。また、不純物を含むガスや炭素を含むガスの希釈ガスとしてＨｅ（ヘリウム）を用いたが、これに限らず、他の希釈ガスを用いてもよい。但し、希釈ガスとしてヘリウムを用いると、ヘリウムは比較的原子量が小さい元素であるので、希釈ガス由来のヘリウムイオンによってフィン型半導体領域１０２の上部コーナーが削られることを抑制できる。尚、水素は原子量が最小の元素であるが、プラズマ中において水素ラジカルがシリコンと結合してＳｉx Ｈy を生成するので、水素のプラズマはヘリウムのプラズマよりもフィン型半導体領域を削る能力が大きくなってしまう。従って、希釈ガスとしては、他の元素との反応性が著しく低いヘリウムの方が水素よりも好ましい。
【００７０】
また、本実施形態において、フィン型半導体領域１０２に炭素及び不純物をプラズマドーピングする際に用いる炭素を含むガスや不純物を含むガスは酸素を含まないことが好ましい。このようにすると、フィン型半導体領域１０２を構成する半導体や導入された不純物の酸化を防止できるため、フィン型半導体領域１０２に形成された不純物導入層（エクステンション領域１０５）の抵抗の増大を防止できる結果、フィン型半導体装置の特性劣化を防止できる。具体的には、炭素を含むガスとしては、例えば、炭素と水素とからなるガスを用い、不純物を含むガスとしては、不純物と水素とからなるガス、例えば、ボロンと水素とからなるガス、砒素と水素とからなるガス、又はリンと水素とからなるガスを用いてもよい。ここで、炭素と水素とからなるガスの分子量が不純物と水素とからなるガスの分子量よりも小さいと、炭素導入層を不純物導入層よりも深く形成できるため、より接合の浅い不純物導入層を形成することができる。このような効果を得るために、例えば、不純物と水素とからなるガスとしてＢ2 Ｈ6 （２７．６７ｇ／ｍｏｌ）を用い、炭素と水素とからなるガスとしてＣＨ4 （メタン：１６．０４ｇ／ｍｏｌ）を用いてもよい。或いは、例えば、不純物と水素とからなるガスとしてＡｓＨ3 （７７．９４５４ｇ／ｍｏｌ）を用い、炭素と水素とからなるガスとして、ＣＨ4 （メタン：１６．０４ｇ／ｍｏｌ）、Ｃ2 Ｈ6 （エタン：３０．０７ｇ／ｍｏｌ）、Ｃ3 Ｈ6 （シクロプロパン：４２．０８ｇ／ｍｏｌ）、Ｃ3 Ｈ8 （プロパン：４４ｇ／ｍｏｌ）、Ｃ4 Ｈ10（ブタン：５８．１２ｇ／ｍｏｌ）、又はＣ4 Ｈ10（イソブタン：５８．１２ｇ／ｍｏｌ）を用いてもよい。或いは、例えば、不純物と水素とからなるガスとしてＰＨ3 （３４．００ｇ／ｍｏｌ）を用い、炭素と水素とからなるガスとして、ＣＨ4 （メタン：１６．０４ｇ／ｍｏｌ）又はＣ2 Ｈ6 （エタン：３０．０７ｇ／ｍｏｌ）を用いてもよい。尚、炭素導入層に起因するリーク電流の発生を防止するために、炭素導入層を不純物導入層よりも浅く形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、半導体装置の製造方法及びプラズマドーピング装置に関し、特に、基板上にフィン型半導体領域を有する３次元構造の半導体装置において所望の特性を得る上で有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１    真空容器
１Ａ    排気口
２    ガス供給装置
２ａ    不純物原料ガス供給装置
２ｂ    ヘリウム供給装置
２ｃ    炭素原料ガス供給装置
２ｄ    不純物原料ガス供給装置
２ｅ    ヘリウム供給装置
２ｆ    炭素原料ガス供給装置
３    ターボ分子ポンプ
４    調圧弁
５    高周波電源
６    試料電極
７    天板
７ａ    真空容器内面
７ｂ    外面
８    コイル
９    シリコン基板
１０    高周波電源
１１    第１ガス供給配管
１２    基板中央部用ガス吹き出し穴
１３    第２ガス供給配管
１４    基板周辺部用ガス吹き出し穴
１５    第１ガス流路
１６    第２ガス流路
１７    ガス流路形成部材
２０    制御装置
２１    記憶部
ＭＦＣ１    第１マスフローコントローラ
ＭＦＣ２    第２マスフローコントローラ
ＭＦＣ３    第３マスフローコントローラ
ＭＦＣ４    第４マスフローコントローラ
ＭＦＣ５    第５マスフローコントローラ
ＭＦＣ６    第６マスフローコントローラ
１００    半導体基板
１０１    絶縁膜
１０２    フィン型半導体領域
１０２ａ    結晶領域
１０３    ゲート電極
１０４    レジストパターン
１０５    エクステンション領域
１０６    絶縁性サイドウォールスペーサ
１０７    ソース・ドレイン領域
【図１】
2011013271.tif 000003
【図２】
2011013271.tif 000004
【図３】
2011013271.tif 000005
【図４】
2011013271.tif 000006
【図５】
2011013271.tif 000007
【図６】
2011013271.tif 000008
【図７】
2011013271.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月21日(2010.7.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及びプラズマドーピング装置に関し、特に、フィン型半導体領域を備えた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板等を基板とする半導体装置の微細化のために、プレーナ型やフィン型の半導体装置が検討されている。これらの半導体装置においては、ソース・ドレイン・エクステンション領域（以下、単にエクステンション領域という）を用いてショートチャネル効果を抑制することが主流となっている。このショートチャネル効果を抑制するためには、エクステンション領域を浅く形成すると共にエクステンション領域に不純物を高濃度で注入することが必要である。
【０００３】
そのために、１９８０年代後半からプラズマを用いて不純物をシリコン等に注入するプラズマドーピングという技術が開発され始めた（非特許文献１参照）。また、１９９０年代後半からは、プラズマドーピングを用いてエクステンション領域を高不純物濃度で浅く形成するための研究開発が行われている（非特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１２５９１６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】B. Mizuno 他、Plasma Doping into the side-wall of a sub-0.5μm width Trench、Ext. Abs. of International Conference on SSDM、1987年、p.317
【非特許文献２】D. Lenoble 他、Evaluation of Plasma Doping for sub-0.18μm Devices、1998 Int. Conf. Ion Implantation Technology Proc. 、1999年、p.1222
【非特許文献３】H. Kawasaki他、Demonstration of Highly Scaled FinFET SRAM Cells with High-k/Metal Gate and Investigation of Characteristic Variability for the 32 nm node and beyond、International Electron Device Meeting technical digest、2008年、p.237
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の非特許文献１、２に開示されている従来の製造方法によると、フィン型ＦＥＴ（field effect transistor ）等のフィン型半導体装置（フィン型半導体領域を基板上に有する半導体装置）がさらに微細化された場合に必要となる極浅接合のエクステンション領域を形成できないため、ショートチャネル効果を十分に抑制することができない。
【０００７】
前記に鑑み、本発明は、フィン型半導体装置において所望の浅接合を持つ不純物導入層を形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、フィン型半導体装置の製造に特許文献１等に開示されている方法、つまり、シリコン基板に炭素及び不純物を順次イオン注入して熱処理を行うことにより、格子間シリコンを炭素によってトラップして不純物の深さ方向の拡散を抑制し、それにより、極浅接合の不純物層を形成する方法を適用することを検討してみた。
【０００９】
ところが、特許文献１の方法に従って、フィン型半導体領域に対して、イオン注入法によりＡｓイオンの注入を実施した後、イオン注入法により炭素イオンの注入を実施したところ、次のような問題点が発生することが分かった。
【００１０】
図７は、フィン型半導体領域に対してＡｓイオンの注入を実施した場合のフィン型半導体装置断面の模式図である（非特許文献３参照）。図７に示すように、レジストパターン５０３をマスクとして、シリコン基板５００上にシリコン酸化膜５０１を介して形成されたフィン型半導体領域５０２の側面にＡｓをイオン注入するためには、イオン注入角度（対象物に対してイオンが垂直に注入される場合を０°とする）をシリコン基板５００に対して垂直ではなく傾いた角度に設定する必要がある。しかし、このイオン注入角度を大きくしすぎると、Ａｓイオンがレジストパターン５０３に遮られてフィン型半導体領域５０２に到達できなくなる。すなわち、フィン型半導体領域５０２の側面にＡｓイオンを注入できるイオン注入角度は、フィン型半導体領域５０２の高さ、レジストパターン５０３の高さ、フィン型半導体領域５０２同士の間の距離等によって決まる範囲に限られる。図７に示す場合、フィン型半導体領域５０２の高さを６０ｎｍ、フィン型半導体領域５０２の幅を１０ｎｍ、フィン型半導体領域５０２同士の間の距離を２０ｎｍ、レジストパターン５０３の高さを２１０ｎｍとして、イオン注入角度を１２度に設定している。この場合、フィン型半導体領域５０２の左側の側面にＡｓを注入するための第１の注入と、フィン型半導体領域５０２の右側の側面にＡｓを注入するための第２の注入、つまり２回のイオン注入が必要となり、生産性の低下という第１の問題が生じてしまう。尚、フィン型半導体領域５０２の上部には第１及び第２の注入により不純物注入層５０４が形成され、フィン型半導体領域５０２の左側部には第１の注入により不純物注入層５０５が形成され、フィン型半導体領域５０２の右側部には第２の注入により不純物注入層５０６が形成される。
【００１１】
ところで、前述のように、イオン注入角度を１２度に設定した場合、フィン型半導体領域５０２の上面にはＡｓが１２度の角度で衝突する一方、フィン型半導体領域５０２の側面にはＡｓが７８度の角度で衝突する。ここで、１２度程度の小さなイオン注入角度で衝突したＡｓイオンは、半導体領域中に入り易い一方、７８度程度の大きなイオン注入角度で衝突したＡｓイオンは、その多くが半導体領域表面ではじき返されて半導体領域中に入りにくい。特に、エクステンション領域の形成に用いられるような低エネルギーでのイオン注入においては、７８度もの大きなイオン注入角度でイオンが半導体領域表面と衝突した場合、半導体領域の内部に入ることができるイオンの割合は全注入イオン量の１０％程度と非常に少なくなる。このように、図７に示す場合、第１の注入によりフィン型半導体領域５０２の上部に注入されたＡｓのドーズ量と、第１の注入によりフィン型半導体領域５０２の左側部に注入されたＡｓのドーズ量との間には、例えば１０：１程度の大きな差が生じてしまう。第２の注入においても同様のことが起きるので、２回のＡｓ注入工程の後においては、フィン型半導体領域５０２の上部の注入ドーズ量とフィン型半導体領域５０２の各側部の注入ドーズ量との差は、１０：１よりもはるかに大きな差となってしまう。以上に述べたことは、炭素イオンの注入でも実質的に同様である。すなわち、特許文献１の方法をフィン型半導体装置の製造に適用した場合、フィン型半導体領域の側部に形成される不純物層の抵抗を低くすることが難しいという第２の問題が生じてしまう。
【００１２】
さらに、図７に示すように、マスクとなるレジストパターン５０３に囲まれた領域内に複数本（具体的には５本）のフィン型半導体領域５０２が並んでいる場合、一番左側のフィン型半導体領域５０２に注目すると、第１の注入を実施しても、当該フィン型半導体領域５０２の左側部には、Ａｓイオンがレジストパターン５０３によって遮られて注入されることはない。すなわち、一番左側のフィン型半導体領域５０２の左側部には不純物注入層５０５が形成されない。同様の理由により、一番右側のフィン型半導体領域５０２に注目すると、第２の注入を実施しても、当該フィン型半導体領域５０２の右側部にはＡｓイオンが注入されないので、当該フィン型半導体領域５０２の右側部には不純物注入層５０６が形成されない。それに対して、５本並んだフィン型半導体領域５０２のうち中央に位置する３本のフィン型半導体領域５０２においては、第１の注入と第２の注入とによってフィン型半導体領域５０２の両側面にＡｓイオンが注入されるので、不純物注入層５０５及び５０６が形成される。以上のように、特許文献１の方法をフィン型半導体装置の製造に適用した場合、基板上においてフィン型半導体領域同士の間で不純物注入層の抵抗に大きな違いが生じる結果、基板面内において各フィン型半導体装置のオン電流が不均一になるという第３の問題が生じてしまう。
【００１３】
そこで、本願発明者らは、前述の第１の問題（イオン注入が２回必要となる問題）、第２の問題（フィン型半導体領域側部の不純物層の抵抗が高くなる問題）及び第３の問題（基板面内において各フィン型半導体装置のオン電流が不均一になる問題）を回避するために、フィン型半導体領域に炭素及び不純物をプラズマドーピング法を用いて導入する方法を想到した。この方法によれば、フィン型半導体領域の両側部に不純物を１回のプラズマドーピングで導入することができるので、イオン注入と比べて、スループットを向上させることができる。また、イオン注入と比べて、フィン型半導体領域の側部に対する不純物の導入が容易になるので、フィン型半導体領域の側部に低抵抗の不純物層を形成することができる。さらに、各フィン型半導体領域の注入ドーズ量を均一にすることができるので、基板面内における各フィン型半導体装置のオン電流を均一にすることができる。尚、この方法において、炭素のプラズマドーピングと不純物のプラズマドーピングとを同一チャンバー内で実施すれば、装置台数の増加を招くことなく、前述の効果を得ることができる。一方、炭素及び不純物のイオン注入には、炭素注入用の装置と不純物注入用の装置の少なくとも２台の装置が必須である。
【００１４】
さらに、本願発明者らは、種々の条件において炭素及び不純物をプラズマドーピング法を用いて導入してみたところ、以下のような知見を得た。
【００１５】
例えばＡｓの導入をプラズマドーピングによって実施する場合、Ａｓの注入量を所望の値にするために、Ａｓを含むガスを水素などの希釈ガスによって希釈した混合ガスを用いると共に当該混合ガス中におけるＡｓを含むガスの濃度を調整することが一般的である。具体的には、プラズマドーピングにおいてＡｓのドーズ量の制御性を確保するためには、ＡｓＨ3 を水素によって希釈してＡｓＨ3 の濃度を５％以下の低濃度に設定することが必要である。このような混合ガスからなるプラズマを用いた場合、Ａｓ導入のためのプラズマドーピング工程において、基板上に注入マスクとしてパターニング形成されたレジストの表面にはＡｓイオンが衝突するだけではなく、希釈ガスがプラズマ化することによって発生した水素イオンなどの希釈ガス由来のイオンもレジストの表面に衝突する。ここで、レジスト表面にプラズマ中のイオンが衝突を繰り返すと、レジストが硬化してしまい、洗浄やアッシングなどのレジスト除去工程でレジストを除去することが困難になってしまう。ここで、不純物であるＡｓイオンの衝突によってレジストが硬化するだけではなく、希釈ガス由来のイオン（例えば水素イオン）の衝突によってもレジストが硬化してしまう。すなわち、Ａｓ導入のためのプラズマドーピング工程では、Ａｓイオンの衝突量に加えて、希釈ガス由来のイオンの衝突量に応じてレジストの硬化が進むことになる。
【００１６】
同様に、炭素の導入をプラズマドーピングによって実施する場合にも、炭素の注入量を所望の値にするために、炭素を含むガスを水素などの希釈ガスによって希釈し、炭素を含むガスの濃度を調整することが一般的である。従って、炭素導入のためのプラズマドーピング工程では、炭素イオンの衝突量に加えて、希釈ガス由来のイオンの衝突量に応じてレジストの硬化が進むことになる。
【００１７】
そこで、本願発明者らは、フィン型半導体領域に炭素及び不純物を同時にプラズマドーピング法を用いて導入する方法、つまり、炭素及び不純物の両方を含むガスからなるプラズマを用いてプラズマドーピングを実施する方法を想到した。この方法によると、以下のような問題の発生を防止することができる。
【００１８】
すなわち、不純物（例えばＡｓ）導入のためのプラズマドーピング工程と、炭素導入のためのプラズマドーピング工程とを別々に実施した場合、Ａｓイオンの衝突量と炭素イオンの衝突量との合計に応じた硬化レベルであればレジスト除去が可能となる条件であったとしても、各プラズマドーピング工程で用いられる希釈ガス由来のイオンの衝突量のために、レジストが硬化してしまって除去できなくなるという問題が発生する可能性がある。
【００１９】
特に、Ａｓ導入のためのプラズマドーピング工程におけるＡｓを含むガスの濃度が希釈ガスの濃度よりも小さく、且つ、炭素導入のためのプラズマドーピング工程における炭素を含むガスの濃度が希釈ガスの濃度よりも小さいようなプラズマドーピング条件では、レジスト除去が不可能になりやすい。詳しくは、不純物や炭素を含むガスの濃度を低くし、且つ希釈ガスの濃度を高くしたプラズマドーピング条件の場合には、Ａｓ導入のためのプラズマドーピング工程と炭素導入のためのプラズマドーピング工程とを別々に実施すると、両工程における希釈ガス由来のイオンの衝突量が、各単独の工程における希釈ガス由来のイオンの衝突量と比較して非常に大きくなってしまうので、希釈ガス由来のイオンの衝突に起因するレジスト硬化が主要因となってレジストが除去できなくなる場合がある。
【００２０】
このようなイオンの衝突に起因するレジスト硬化の問題は、イオン注入では起こり得ないプラズマドーピングに特有の問題である。すなわち、例えばＡｓをイオン注入する場合、Ａｓイオン以外のイオンは質量分析器によって予め分離されているので、Ａｓイオン以外のイオンが基板上のレジストに衝突することはない。同様に、炭素をイオン注入する場合も、炭素イオン以外のイオンは質量分析器によって予め分離されているので、炭素イオン以外のイオンが基板上のレジストに衝突することはない。従って、Ａｓイオン注入工程と炭素イオン注入工程とを別々に実施したとしても、レジストに衝突するイオンはＡｓイオン及び炭素イオンのみであるので、レジスト除去を容易に行うことができる。
【００２１】
以上のように、フィン型半導体領域に対してプラズマドーピングを用いてＡｓなどの不純物の導入と炭素の導入とを実施する場合、レジスト除去性を確保するという観点からは、希釈ガス由来のイオンの衝突量をできるだけ低減させる必要があるという知見を得て、本願発明者らは、フィン型半導体領域に炭素及び不純物を同時にプラズマドーピング法を用いて導入する方法を想到をしたのである。
【００２２】
尚、炭素及び不純物のプラズマドーピングを同時に行わない場合であっても、炭素及び不純物のそれぞれのプラズマドーピングに要する合計時間を十分に低減することにより、レジスト除去性を確保できることは言うまでもない。
【００２３】
例えば、プラズマドーピング時のフィン型半導体領域の上部コーナーの削れを防止するために、チャンバー内圧力を例えば０．３５Ｐａに設定すると共に、プラズマドーピングによるエクステンション形成やソース・ドレイン形成においてゲート電極下側領域への不純物の回り込みを防止するために、バイアス電圧（Ｖｐｐ）を２５０Ｖに設定した場合、レジスト除去性の観点から、不純物（例えばＡｓ）のプラズマドーピング工程と炭素のプラズマドーピング工程の２つの工程でフィン型半導体領域をプラズマに曝す合計時間（プラズマ照射時間の合計）は７２秒以下であることが好ましい。すなわち、プラズマ照射時間の合計が７２秒以下であれば、薬液洗浄等によってレジストを容易に除去することができる。逆に、プラズマ照射時間の合計が７２秒よりも長くなると、レジストの硬化が進み、薬液洗浄等によってレジスト除去が困難になってしまう。
【００２４】
ここで、前述の各数値は例示であって、チャンバー内圧力やバイアス電圧等のプラズマドーピング条件に応じて、レジスト除去性の観点からプラズマ照射時間の合計に対する適切な制限（上限時間）を課せばよいことは言うまでもない。例えば、チャンバー内圧力を０．３５Ｐａよりも小さく設定すれば、又はバイアス電圧を２５０Ｖよりも小さく設定すれば、プラズマ照射時間の合計を前述の７２秒よりも大きくすることができる。
【００２５】
尚、フィン型半導体領域に炭素及び不純物をプラズマドーピングする際に用いる炭素を含むガスや不純物を含むガスは酸素を含まないことが好ましい。このようにすると、フィン型半導体領域を構成する半導体や導入された不純物の酸化を防止できるため、フィン型半導体領域に形成された不純物層（例えばエクステンション領域）の抵抗の増大を防止できる結果、フィン型半導体装置の特性劣化を防止できる。具体的には、炭素を含むガスとしては、例えば炭素と水素とからなるガスを用い、不純物を含むガスとしては、例えば不純物と水素とからなるガスを用いてもよい。
【００２６】
また、フィン型半導体領域に炭素及び不純物をプラズマドーピングする際に用いる炭素を含むガスや不純物を含むガスを希釈する希釈ガスとしては、ヘリウムを用いることが好ましい。このようにすると、ヘリウムは比較的原子量が小さい元素であるので、希釈ガス由来のヘリウムイオンによってフィン型半導体領域の上部コーナーが削られることを抑制できる。尚、水素は原子量が最小の元素であるが、プラズマ中において水素ラジカルがシリコンと結合してＳｉx Ｈy を生成するために、水素のプラズマはヘリウムのプラズマよりもフィン型半導体領域を削る能力が大きいので、希釈ガスとしては、他の元素との反応性が著しく低いヘリウムの方が水素よりも好ましい。
【００２７】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであって、具体的には、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に形成されたフィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて不純物を導入することにより、不純物導入層を形成する工程と、前記フィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて炭素を導入することにより、前記不純物導入層の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層を形成する工程とを備えている。
【００２８】
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、フィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて不純物導入層と共に炭素導入層を形成するため、不純物の深さ方向の拡散を抑制できるので、極浅接合の不純物導入層を形成することができる。また、フィン型半導体領域内において互いに結合した不純物同士を炭素によって分離することができるため、不純物導入層形成後の活性化熱処理による不純物の活性化率を向上させることができる。また、フィン型半導体領域の両側部に不純物を１回のプラズマドーピングで導入することができるので、イオン注入を用いる場合と比べて、スループットを向上させることができる。また、イオン注入を用いる場合と比べて、フィン型半導体領域の側部に対する不純物の導入が容易になるので、フィン型半導体領域の側部に低抵抗の不純物導入層を形成することができる。さらに、不純物導入層を形成する際にマスクとなるレジストパターン等が複数本のフィン型半導体領域を囲んでいるような場合にも、各フィン型半導体領域への注入ドーズ量を均一にすることができるので、基板面内における各フィン型半導体装置のオン電流を均一にすることができる。
【００２９】
尚、本発明に係る半導体装置の製造方法において、炭素に代えて例えば窒素を用いても、前述の効果を得ることができる。
【００３０】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程と、前記炭素導入層を形成する工程とを同一チャンバー内で実施すると、装置台数の増加を招くことなく、前述の効果を得ることができる。この場合に、前記不純物導入層を形成する工程と、前記炭素導入層を形成する工程とを、前記不純物を含むガスと炭素を含むガスとの混合ガスを用いて同時に実施すると、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。
【００３１】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程が、前記フィン型半導体領域の内部に結晶層を残存させつつ、前記不純物導入層の少なくとも一部分と重複するようにアモルファス層を形成する工程を含むと、導入不純物の活性化アニールを高効率で行うことができるので、不純物導入層をより低抵抗化することができる。この場合、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程の後に、熱処理を行って前記アモルファス層を結晶回復させる工程をさらに備えていてもよい。
【００３２】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれを、０．３５ｐａ以下の圧力で実施すると、プラズマドーピング時にフィン型半導体領域の上部コーナーが削られることを防止することができる。この場合、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれを、２５０Ｖ以下のバイアス電圧で実施すると、プラズマドーピング時におけるゲート電極下側領域への不純物の回り込みを防止することができる。さらに、この場合、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれのプラズマ処理時間の合計が７２秒以下であると、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。
【００３３】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれのプラズマ処理時間の合計が、当該両工程での圧力及びバイアス電圧に基づいて予め設定されている上限時間以下であると、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。
【００３４】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記不純物導入層を形成する工程を、ボロン、砒素及びリンの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含む第１のガスを用いて実施し、前記炭素導入層を形成する工程を、炭素を含む第２のガスを用いて実施してもよい。この場合、前記第１のガス及び前記第２のガスをそれぞれヘリウムによって希釈して用いると、プラズマドーピング時にフィン型半導体領域の上部コーナーが削られることを防止することができる。また、この場合、前記第２のガスが、炭素と水素とからなるガスであると、フィン型半導体領域を構成する半導体や導入された不純物の酸化を防止できるため、フィン型半導体領域に形成された不純物導入層（例えばエクステンション領域）の抵抗の増大を防止できる結果、フィン型半導体装置の特性劣化を防止できる。また、この場合、前記第１のガスが、ボロンと水素とからなるガス、砒素と水素とからなるガス、又はリンと水素とからなるガスであり、前記第２のガスが、炭素と水素とからなり且つ前記第１のガスよりも分子量が小さいガスであると、フィン型半導体領域を構成する半導体や導入された不純物の酸化を防止できるため、フィン型半導体領域に形成された不純物導入層（例えばエクステンション領域）の抵抗の増大を防止できる結果、フィン型半導体装置の特性劣化を防止できると共に、次のような効果も得られる。すなわち、炭素導入層を不純物導入層よりも深く形成できるため、より接合の浅い不純物導入層を形成することができる。このような効果を得るためには、例えば、前記第１のガスはＢ2 Ｈ6 であり、前記第２のガスはＣＨ4 （メタン）であってもよい。或いは、前記第１のガスはＡｓＨ3 であり、前記第２のガスはＣＨ4 （メタン）、Ｃ2 Ｈ6 （エタン）、Ｃ3 Ｈ6 （シクロプロパン）、Ｃ3 Ｈ8 （プロパン）、Ｃ4 Ｈ10（ブタン）、又はＣ4 Ｈ10（イソブタン）であってもよい。或いは、前記第１のガスはＰＨ3 であり、前記第２のガスはＣＨ4 （メタン）又はＣ2 Ｈ6 （エタン）であってもよい。但し、炭素導入層に起因するリーク電流の発生を防止するために、炭素導入層を不純物導入層よりも浅く形成してもよい。
【００３５】
本発明に係るプラズマドーピング装置は、以上に述べた本発明に係る半導体装置の製造方法に用いられるプラズマドーピング装置であって、前記基板が載置されるチャンバーと、前記チャンバー内に、前記不純物を含むガスを供給する第１のガス供給部と、前記チャンバー内に、炭素を含むガスを供給する第２のガス供給部とを備えている。
【００３６】
本発明に係るプラズマドーピング装置によると、本発明に係る半導体装置の製造方法を実施することを可能とする。特に、不純物導入層を形成する工程と、炭素導入層を形成する工程とを同一チャンバー内で実施することを可能とするため、装置台数の増加を招くことなく、本発明に係る半導体装置の製造方法による前述の効果を得ることができる。
【００３７】
本発明に係るプラズマドーピング装置において、前記チャンバー内に、希釈ガスを供給する第３のガス供給部をさらに備えていてもよい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によると、スループットの低下や装置台数の増加を招くことなく、フィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて不純物及び炭素を導入できるため、製造時の経済性を改善しつつ、半導体デバイス、特に、フィン型半導体装置等の３次元デバイスの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプロセスフローである。
【図２】図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程における半導体装置の構造を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いるプラズマドーピング装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法においてプラズマドーピングを実施する場合の各ガスの流量とバイアス電圧の時間変化を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程における半導体装置の構造を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法においてプラズマドーピングを実施する場合の各ガスの流量とバイアス電圧の時間変化を示す図である。
【図７】図７は、従来の半導体装置の製造方法の一工程における半導体装置の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法及びプラズマドーピング装置について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施形態では、一例として、ＩＣＰ（inductively coupled plasma）型のプラズマドーピング装置においてＢ2 Ｈ6 とＣＨ4 とをＨｅによって希釈した混合ガスのプラズマを用いて、０．３５Ｐａという通常よりも低い圧力でプラズマドーピングを行うことによって、ボロンをフィン型半導体領域の上面に注入すると共にフィン型半導体領域の側面に注入し又は付着させると同時に、炭素をフィン型半導体領域の上面に注入すると共にフィン型半導体領域の側面に注入し又は付着させた後、注入し又は付着させたボロンを熱処理によって電気的に活性化させることによって、フィン型半導体装置のオン電流を向上させる場合について説明する。
【００４１】
図１は、本実施形態に係る半導体装置（具体的にはフィン型半導体装置）の製造方法のプロセスフローであり、図２（ａ）〜（ｆ）は、図１に示すプロセスフローの各工程におけるフィン型半導体装置の構造を示す斜視図である。
【００４２】
まず、ステップＳ１において、図２（ａ）に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板１００上に絶縁膜（ＢＯＸ酸化膜）１０１を介して形成されたシリコン層（つまりＳＯＩ（semiconductor on insulator）基板の上部シリコン層）がパターニングされてなる複数のフィン型半導体領域１０２を跨ぐようにゲート絶縁膜（図示省略）を介してゲート電極１０３を形成する。ここで、各フィン型半導体領域１０２の幅（Ｗｆｉｎ）は例えば１０ｎｍであり、各フィン型半導体領域１０２の高さ（Ｈｆｉｎ）は例えば６０ｎｍであり、各フィン型半導体領域１０２同士の間隔（Ｓ）は例えば２０ｎｍであり、ゲート幅（Ｗｇ）は例えば２０ｎｍである。
【００４３】
次に、ステップＳ２において、図２（ｂ）に示すように、所望のドーパント（例えば、ボロン）を注入する領域を開口部としたレジストパターン１０４を絶縁膜１０２上に形成する。ここで、レジストパターン１０４の高さは例えば２１０ｎｍである。
【００４４】
次に、ステップＳ３において、プラズマドーピング法を用いて各フィン型半導体領域１０２に、ボロンと炭素とを含むプラズマを照射する。これにより、図２（ｃ）に示すように、ゲート電極１０３の外側の各フィン型半導体領域１０２の上部及び側部に、エクステンション領域１０５となるボロン導入層が形成されると共に、当該ボロン導入層の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層（図示省略）が形成される。
【００４５】
ここで、プラズマドーピング条件は、例えば、プラズマ発生方式がＩＣＰプラズマ方式であり、原料ガスがＨｅで希釈したＢ2 Ｈ6 とＣＨ4 との混合ガスであり、原料ガス中でのＢ2 Ｈ6 濃度及びＣＨ4 濃度がそれぞれ０．５質量％及び０．２質量％であり、チャンバー内圧力が０．３５Ｐａであり、ソースパワー（プラズマ生成用高周波電力）が５００Ｗであり、バイアス電圧Ｖｐｐが２５０Ｖであり、基板温度が２０℃であり、プラズマ照射時間は７２秒である。但し、プラズマ照射時間７２秒のうち最初の１２秒間にはバイアス電圧の印加を行わず、残りの６０秒間に２５０Ｖのバイアス電圧を印加した。
【００４６】
次に、ステップＳ４において、図２（ｄ）に示すように、例えば薬液洗浄によりレジストパターン１０４を除去した後、ステップＳ５において、図２（ｅ）に示すように、ゲート電極１０３の側面を覆うように絶縁性サイドウォールスペーサ１０６を形成することによって、エクステンション領域１０５を保護する。
【００４７】
次に、ステップＳ６において、各フィン型半導体領域１０２にボロンを比較的深く注入する。これにより、図２（ｆ）に示すように、ゲート電極１０３及び絶縁性サイドウォールスペーサ１０６の外側の各フィン型半導体領域１０２の上部及び側部にソース・ドレイン領域１０７が形成される。その後、ステップＳ７において、活性化アニールを実施することにより、エクステンション領域１０５及びソース・ドレイン領域１０７のそれぞれのボロンを電気的に活性化する。このとき、エクステンション領域１０５にはプラズマドーピングによりアモルファスシリコンに改質された層にボロンだけではなく炭素が注入され又は付着しているので、活性化アニールによって多数のボロンを電気的に活性化することができるので、各フィン型半導体領域１０２の上部及び側部のエクステンション領域１０５を低抵抗化することができる。
【００４８】
以上の工程によって、フィン型半導体装置の主要部を完成させることができる。
【００４９】
本実施形態の半導体装置の製造方法によると、フィン型半導体領域１０２にプラズマドーピング法を用いて不純物導入層（具体的にはエクステンション領域１０５）と共に炭素導入層を形成するため、不純物（具体的にはボロン）の深さ方向の拡散を抑制できるので、極浅接合の不純物導入層を形成することができる。また、フィン型半導体領域１０２内において互いに結合した不純物同士を炭素によって分離することができるため、不純物導入層形成後の活性化熱処理による不純物の活性化率を向上させることができる。また、フィン型半導体領域１０２の両側部に不純物を１回のプラズマドーピングで導入することができるので、イオン注入を用いる場合と比べて、スループットを向上させることができる。また、イオン注入を用いる場合と比べて、フィン型半導体領域１０２の側部に対する不純物の導入が容易になるので、フィン型半導体領域１０２の側部に低抵抗の不純物導入層を形成することができる。さらに、不純物導入層を形成する際にマスクとなるレジストパターン１０４が複数本のフィン型半導体領域１０２を囲んでいるような場合にも、各フィン型半導体領域１０２への注入ドーズ量を均一にすることができるので、基板面内における各フィン型半導体装置のオン電流を均一にすることができる。
【００５０】
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によると、不純物導入層を形成する工程と前記炭素導入層を形成する工程とを同一チャンバー内で同時に実施するため、装置台数の増加を招くことなく、前述の効果を得ることができると共に、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。
【００５１】
尚、本実施形態の半導体装置の製造方法において、炭素に代えて例えば窒素を用いても、前述の効果を得ることができる。
【００５２】
また、本実施形態の半導体装置の製造方法において、ステップＳ３のプラズマドーピングを０．３５ｐａ以下の圧力で実施することが好ましい。このようにすると、プラズマドーピング時にフィン型半導体領域１０２の上部コーナーが削られることを防止することができる。
【００５３】
また、本実施形態の半導体装置の製造方法において、ステップＳ３のプラズマドーピングを２５０Ｖ以下のバイアス電圧で実施することが好ましい。このようにすると、プラズマドーピング時におけるゲート電極１０３の下側領域への不純物の回り込みを防止することができる。
【００５４】
また、本実施形態の半導体装置の製造方法において、ステップＳ３のプラズマドーピングを０．３５ｐａのチャンバー内圧力、２５０Ｖのバイアス電圧で実施する場合には、ステップＳ３のプラズマ処理時間の合計を７２秒以下に設定することが好ましい。このようにすると、炭素や不純物の導入時にマスクとして用いたレジストが硬化して除去できなくなる事態を回避することができる。ここで、チャンバー内圧力を０．３５Ｐａよりも小さく設定すれば、又はバイアス電圧を２５０Ｖよりも小さく設定すれば、ステップＳ３のプラズマ処理時間の合計を前述の７２秒よりも大きくすることができる。言い換えると、ステップＳ３のプラズマドーピングにおけるプラズマ処理時間の合計は、当該プラズマドーピングでのチャンバー内圧力及びバイアス電圧に基づいて予め設定されている上限時間以下であることが好ましい。
【００５５】
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法に用いるプラズマドーピング装置（以下、本実施形態のプラズマドーピング装置という）について説明する。図３は、本実施形態のプラズマドーピング装置の概略構成を示す断面図である。
【００５６】
図３に示すプラズマドーピング装置によると、真空容器（チャンバー）１内にガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置の一例としてのターボ分子ポンプ３により排気を行うことができる。ここで、調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。また、高周波電源５により例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を真空容器１の天板７の近傍に設けられたコイル８に供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させることができる。真空容器１内に天板７と対向するように設けられた試料電極６上には、試料の一例としてのシリコン基板（基板上にフィン型半導体領域が形成されているものとする）９が載置される。ここで、試料電極６は、例えばシリコン基板９を載置可能な略円形状の台座である。また、試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、高周波電源１０はシリコン基板９がプラズマに対して負の電位を持つように、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。制御装置２０は、ガス供給装置２（不純物原料ガス供給装置２ａ、ヘリウム供給装置２ｂ、炭素原料ガス供給装置２ｃ、不純物原料ガス供給装置２ｄ、ヘリウム供給装置２ｅ、炭素原料ガス供給装置２ｆ、第１〜第６マスフローコントローラＭＦＣ１〜ＭＦＣ６を含む）、ターボ分子ポンプ３、調圧弁４、高周波電源５及び高周波電源１０のそれぞれに接続されており、これらの動作を制御する。また、制御装置２０の制御下で行われるこれらの動作は、必要に応じて、記憶部２１に情報として記憶されると共に、記憶部２１に予め記憶された情報を制御装置２０が読み取ることによりこれらの動作が実施される。
【００５７】
以上のような構成を有する図３に示すプラズマドーピング装置において、真空容器１内に生成されたプラズマ中のイオンをシリコン基板９の表面に向かって加速して衝突させたり、プラズマ中のガス構成分子やラジカルを試料の一例としてのシリコン基板９の表面に吸着させたりすることによって、シリコン基板９の表面に不純物を導入することができる。尚、ガス供給装置２から供給されたガスは、真空容器１底部の排気口１Ａからターボ分子ポンプ３へと排気される。ターボ分子ポンプ３及び排気口１Ａは、試料電極６の直下に配置されている。
【００５８】
また、図３に示すプラズマドーピング装置においては、ガス供給装置２から、天板７における試料電極６に対向する真空容器内面７ａとは反対側の表面（外面）７ｂの略中央部に立設されたガス流路形成部材（天板７の一部として構成されていてもよい）１７までは、第１ガス供給配管１１と第２ガス供給配管１３との少なくとも２本の配管によりガスが供給される。さらに、ガス流路形成部材１７から天板７内へと少なくとも２本のガス流路（第１ガス流路１５及び第２ガス流路１６）が延伸しており、天板７の中央（つまり基板９の中心軸）に対して回転対称にそれぞれ配置された基板中央部用ガス吹き出し穴１２及び基板周辺部用ガス吹き出し穴１４から真空容器１の内部にガスがそれぞれ供給される。
【００５９】
本実施形態においては、ガス供給装置２から第１ガス供給配管１１を使用して、天板７の外面７ｂの中央部に立設したガス流路形成部材１７の上端部には、以下のようにしてガスが供給される。ここで、ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）ＭＦＣ１、ＭＦＣ２、ＭＦＣ３により、不純物原料ガスと炭素原料ガスとを含むプラズマドーピング処理用ガスの流量及び濃度を所定値に制御する。具体的には、本実施形態では、不純物原料ガス（一例としてジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ））と炭素原料ガス（一例としてメタン（ＣＨ4 ））とをヘリウムで希釈（Ｂ2 Ｈ6 については０．５質量％、ＣＨ4 については０．２質量％にそれぞれ希釈）したガスをプラズマドーピング処理用ガスとして用いる。このため、不純物原料ガス供給装置２ａから供給される不純物原料ガスの流量制御を第１マスフローコントローラＭＦＣ１により行うと共にヘリウム供給装置２ｂから供給されるヘリウム（Ｈｅ）の流量制御を第２マスフローコントローラＭＦＣ２により行うことに加えて、炭素原料ガス供給装置２ｃから供給される炭素原料ガスの流量制御を第３マスフローコントローラＭＦＣ３により行う。第１、第２及び第３マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２及びＭＦＣ３によって流量が制御された各ガスをガス供給装置２内で混合してプラズマドーピング処理用ガス（混合ガス）を生成した後、この混合ガスを第１ガス供給配管１１及びガス流路形成部材１７を通じて第１ガス流路１５に供給する。第１ガス流路１５に供給された混合ガスは、天板７におけるシリコン基板９に対向する真空容器内面７ａのうち基板中央部に対向する領域に形成された複数の基板中央部用ガス吹き出し穴１２から真空容器１内へと供給される。ここで、複数の基板中央部用ガス吹き出し穴１２から吹き出した混合ガスは、シリコン基板９の中央部に向けて供給されることになる。
【００６０】
同様に、ガス供給装置２から第２ガス供給配管１３を使用して、天板７の外面７ｂの中央部に立設したガス流路形成部材１７の上端部には、以下のようにしてガスを供給される。ここで、ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）ＭＦＣ４、ＭＦＣ５、ＭＦＣ６により、不純物原料ガスと炭素原料ガスとを含むプラズマドーピング処理用ガスの流量及び濃度を所定値に制御する。具体的には、本実施形態では、不純物原料ガス（一例としてジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ））と炭素原料ガス（一例としてメタン（ＣＨ4 ））とをヘリウムで希釈（Ｂ2 Ｈ6 については０．５質量％、ＣＨ4 については０．２質量％にそれぞれ希釈）したガスをプラズマドーピング処理用ガスとして用いる。このため、不純物原料ガス供給装置２ｄから供給される不純物原料ガスの流量制御を第４マスフローコントローラＭＦＣ４により行うと共にヘリウム供給装置２ｅから供給されるヘリウム（Ｈｅ）の流量制御を第５マスフローコントローラＭＦＣ５により行うことに加えて、炭素原料ガス供給装置２ｆから供給される炭素原料ガスの流量制御を第６マスフローコントローラＭＦＣ６により行う。第４、第５及び第６マスフローコントローラＭＦＣ４、ＭＦＣ５及びＭＦＣ６によって流量が制御された各ガスをガス供給装置２内で混合してプラズマドーピング処理用ガス（混合ガス）を生成した後、この混合ガスを第２ガス導入流路１３及びガス流路形成部材１７を通じて第２ガス流路１６に供給する。第２ガス流路１６に供給された混合ガスは、天板７におけるシリコン基板９に対向する真空容器内面７ａのうち基板周縁部に対向する領域に形成された複数の基板周辺部用ガス吹き出し穴１４から真空容器１内へと供給される。ここで、複数の基板周辺部用ガス吹き出し穴１４から吹き出した混合ガスは、シリコン基板９の周縁部に向けて供給されることになる。
【００６１】
以上のようにして、本実施形態では、不純物原料ガスの一例としてのジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）と、炭素原料ガスの一例としてのメタン（ＣＨ4 ）とをヘリウム（Ｈｅ）によって所望の質量濃度に希釈した混合ガスを真空容器１内に供給することができる。
【００６２】
従って、図３に示すようなプラズマドーピング装置を用いて同一の真空容器１内でＢ2 Ｈ6 とＣＨ4 とＨｅとの混合ガスからなるプラズマをシリコン基板９に照射してプラズマドーピング処理を行うことによって、ボロン及び炭素の導入を１台の装置で実施することができる。これは、イオン注入を用いる場合に、ボロン注入用の装置と炭素注入用の装置の少なくとも２台の装置が必要となるのに対して、経済性の点で非常に優位である。
【００６３】
図４は、本実施形態において前述のような混合ガスを用いてプラズマドーピングを実施する場合の各ガスの流量とバイアス電圧Ｖｐｐの時間変化を示している。本実施形態においては、図４に示すように、ｔ１の時点で、マスフローコントローラＭＦＣ１からＢ2 Ｈ6 ／Ｈｅ（Ｂ2 Ｈ6 をＨｅにより希釈したガス）を、マスフローコントローラＭＦＣ３からＣＨ4 ／Ｈｅ（ＣＨ4 をＨｅにより希釈したガス）をそれぞれ流し始める。尚、図示はしていないが、ｔ１の時点でマスフローコントローラＭＦＣ２からＨｅも流し始める。混合ガスからなるプラズマが安定した後に（例えばｔ１から１２秒後に）、バイアス電圧Ｖｐｐの印加を開始してプラズマ中のイオンをシリコン基板９に向けて加速することにより、当該イオンのシリコン基板９への注入を開始する。そして、バイアス電圧Ｖｐｐの印加を例えば６０秒間行った後、ｔ２の時点で各マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２、ＭＦＣ３からのガスの供給を停止すると共にバイアス電圧Ｖｐｐの印加も停止する。これにより、プラズマ放電はｔ２の時点で終了する。従って、本実施形態においては、１枚のシリコン基板（ウェハ）９のプラズマドーピング処理に要する放電時間は、ｔ１からｔ２までの時間（例えば７２秒）である。これは、例えば２５０Ｖという低バイアス電圧領域でイオン注入を用いた場合と比べると、格段に短い処理時間である。また、イオン注入を用いてフィン型半導体領域の両側部に不純物注入層を形成するためには、図７に示すように、少なくとも２回のイオン注入が必要であった。それに対して、本実施形態では、図２（ｃ）及び図５に示すように、１回のプラズマドーピング処理によって、フィン型半導体領域１０２の両側部に不純物注入層（具体的にはエクステンション領域１０５）を形成することができるので、本実施形態のプラズマドーピング処理時間は、イオン注入を用いた場合と比べて、より一層短くなる。これは、炭素の導入についても同様であるので、本実施形態によれば、短時間のプラズマドーピング処理によってフィン型半導体領域１０２の上部のみならず両側部にも、ボロン及び炭素をそれぞれ所望のドーズ量で導入することが可能となる。尚、図５は図２（ｃ）の斜視図に対応する断面図であるが、図７に示す従来構造との対比のために、図２（ｃ）に示す形状や寸法を変えて示している。
【００６４】
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によるアモルファス層形成について説明する。
【００６５】
前述のように、図２（ｃ）は、本実施形態のプラズマドーピング処理においてボロンと炭素とを含むプラズマをフィン型半導体領域１０２に照射した後の状態を示しており、図５は、図２（ｃ）の斜視図に対応する断面図である。このプラズマ照射により、フィン型半導体領域１０２の上面及び側面にボロン及び炭素が付着し又は注入される結果、フィン型半導体領域１０２の上部及び側部に、エクステンション領域１０５となるボロン導入層が形成されると共に、当該ボロン導入層の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層が形成される。ここで、図示は省略しているが、これらのボロン導入層及び炭素導入層と重複するように非結晶層（アモルファス層）が形成される。すなわち、フィン型半導体領域１０２を構成するシリコン結晶が、プラズマ中に含まれる大量のヘリウムイオンと少量のボロンイオン、炭素イオン及び水素イオンとの衝撃を受けることによってアモルファスシリコンに改質され、それにより、この非結晶層が形成されると考えられる。
【００６６】
本実施形態においては、図５に示すように、フィン型半導体領域１０２の内部（中央部）に結晶領域１０２ａを残存させつつ、プラズマドーピング処理を実施する。このようにすると、プラズマドーピング処理後のアニールによって、フィン型半導体領域１０２の中央部の結晶を種として非結晶層が結晶回復を起こす結果、アニール後にはフィン型半導体領域１０２の全体が結晶状態に回復するため、不純物導入層（つまりエクステンション領域１０５）の抵抗が下がるので、フィン型半導体装置のオン電流が向上する。尚、本実施形態においては、プラズマドーピング処理を例えば０．３５Ｐａという低い圧力で実施すると共にフィン型半導体領域１０２をプラズマに曝す時間を例えば７２秒という短い時間に設定しているため、フィン型半導体領域１０２の上部コーナーが削られる量を極端に小さく（例えば１ｎｍ未満に）することができるので、フィン型半導体装置のオン電流をさらに向上させることができる。また、本実施形態のプラズマドーピング処理によれば、例えば図５に示すように、レジストパターン１０４に囲まれるように配置された複数本のフィン型半導体領域１０２同士の間でボロン及び炭素の導入量に差が出る要因がないので、複数のフィン型半導体装置のオン電流の間に生じるばらつきが小さくなるという効果も得られる。
【００６７】
以上に説明したように、本実施形態においては、Ｂ2 Ｈ6 とＣＨ4 とＨｅとの混合ガスによるプラズマドーピング処理を行うことによって、フィン型半導体領域１０２の上面及び側面にボロン及び炭素を同時に注入し又は付着させることができるのみならず、非結晶層も同時に形成することができる。この非結晶層は、結晶と比べて光吸収率が高く、プラズマドーピング処理後のアニール時に光を効率良く吸収するので、ボロンの活性化率を向上させて不純物導入層（エクステンション領域１０５）の抵抗を低くすることができる。従って、本実施形態によれば、この非結晶層の形成をボロン及び炭素の導入と同時に行うことにより、良好なレジスト除去性を維持したまま、フィン型半導体領域１０２に形成される不純物導入層の低抵抗化、つまりフィン型半導体装置のオン電流の向上を実現することができる。尚、前述の非結晶層による効果の点では、この非結晶層をボロン導入層及び炭素導入層の全体を含むように深く形成することが好ましいが、プラズマドーピング処理後のアニールによって非結晶層を結晶回復させるために、フィン型半導体領域１０２の内部（中央部）に結晶領域１０２ａを残存させる必要がある。
【００６８】
尚、本実施形態において、図４に示すように、不純物を含むガス（例えばＢ2 Ｈ6 ／Ｈｅ）と炭素を含むガス（例えばＣＨ4 ／Ｈｅ）とを同時にチャンバー内に供給することにより、不純物導入層の形成と炭素導入層の形成とを同時に行った。しかし、これに代えて、例えば図６（ａ）に示すように、先に炭素を含むガス（例えばＣＨ4 ／Ｈｅ）をチャンバー内に供給して炭素導入層を形成した後、不純物を含むガス（例えばＢ2 Ｈ6 ／Ｈｅ）をチャンバー内に供給して不純物導入層を形成してもよい。この場合、炭素を含むガスの供給時間と不純物を含むガスの供給時間とが一部重なり合っていてもよい。或いは、例えば図６（ｂ）に示すように、先に不純物を含むガス（例えばＢ2 Ｈ6 ／Ｈｅ）をチャンバー内に供給して不純物導入層を形成した後、炭素を含むガス（例えばＣＨ4 ／Ｈｅ）をチャンバー内に供給して炭素導入層を形成してもよい。この場合も、不純物を含むガスの供給時間と炭素を含むガスの供給時間とが一部重なり合っていてもよい。但し、いずれの場合においても、不純物導入層形成工程と炭素導入層形成工程とのそれぞれのプラズマ照射時間の合計に対して、レジスト除去性の観点から、チャンバー内圧力やバイアス電圧等によって決まる上限時間が課される。また、この上限時間の範囲内にプラズマ照射時間の合計が収まるのであれば、不純物導入層形成工程及び炭素導入層形成工程のそれぞれを別々のプラズマドーピング装置（つまり別々のチャンバー）で実施してもよい。
【００６９】
また、本実施形態において、フィン型半導体領域１０２に不純物導入層（エクステンション領域１０５）を形成するために、不純物を含むガスとして、Ｂ2 Ｈ6 を用いたが、これに限らず、例えばボロン、砒素及びリンの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含むガスを用いてもよい。また、フィン型半導体領域１０２に炭素導入層を形成するために、炭素を含むガスとして、ＣＨ4 を用いたが、これに限らず、他の炭素を含むガスを用いてもよい。また、不純物を含むガスや炭素を含むガスの希釈ガスとしてＨｅ（ヘリウム）を用いたが、これに限らず、他の希釈ガスを用いてもよい。但し、希釈ガスとしてヘリウムを用いると、ヘリウムは比較的原子量が小さい元素であるので、希釈ガス由来のヘリウムイオンによってフィン型半導体領域１０２の上部コーナーが削られることを抑制できる。尚、水素は原子量が最小の元素であるが、プラズマ中において水素ラジカルがシリコンと結合してＳｉx Ｈy を生成するので、水素のプラズマはヘリウムのプラズマよりもフィン型半導体領域を削る能力が大きくなってしまう。従って、希釈ガスとしては、他の元素との反応性が著しく低いヘリウムの方が水素よりも好ましい。
【００７０】
また、本実施形態において、フィン型半導体領域１０２に炭素及び不純物をプラズマドーピングする際に用いる炭素を含むガスや不純物を含むガスは酸素を含まないことが好ましい。このようにすると、フィン型半導体領域１０２を構成する半導体や導入された不純物の酸化を防止できるため、フィン型半導体領域１０２に形成された不純物導入層（エクステンション領域１０５）の抵抗の増大を防止できる結果、フィン型半導体装置の特性劣化を防止できる。具体的には、炭素を含むガスとしては、例えば、炭素と水素とからなるガスを用い、不純物を含むガスとしては、不純物と水素とからなるガス、例えば、ボロンと水素とからなるガス、砒素と水素とからなるガス、又はリンと水素とからなるガスを用いてもよい。ここで、炭素と水素とからなるガスの分子量が不純物と水素とからなるガスの分子量よりも小さいと、炭素導入層を不純物導入層よりも深く形成できるため、より接合の浅い不純物導入層を形成することができる。このような効果を得るために、例えば、不純物と水素とからなるガスとしてＢ2 Ｈ6 （２７．６７ｇ／ｍｏｌ）を用い、炭素と水素とからなるガスとしてＣＨ4 （メタン：１６．０４ｇ／ｍｏｌ）を用いてもよい。或いは、例えば、不純物と水素とからなるガスとしてＡｓＨ3 （７７．９４５４ｇ／ｍｏｌ）を用い、炭素と水素とからなるガスとして、ＣＨ4 （メタン：１６．０４ｇ／ｍｏｌ）、Ｃ2 Ｈ6 （エタン：３０．０７ｇ／ｍｏｌ）、Ｃ3 Ｈ6 （シクロプロパン：４２．０８ｇ／ｍｏｌ）、Ｃ3 Ｈ8 （プロパン：４４ｇ／ｍｏｌ）、Ｃ4 Ｈ10（ブタン：５８．１２ｇ／ｍｏｌ）、又はＣ4 Ｈ10（イソブタン：５８．１２ｇ／ｍｏｌ）を用いてもよい。或いは、例えば、不純物と水素とからなるガスとしてＰＨ3 （３４．００ｇ／ｍｏｌ）を用い、炭素と水素とからなるガスとして、ＣＨ4 （メタン：１６．０４ｇ／ｍｏｌ）又はＣ2 Ｈ6 （エタン：３０．０７ｇ／ｍｏｌ）を用いてもよい。尚、炭素導入層に起因するリーク電流の発生を防止するために、炭素導入層を不純物導入層よりも浅く形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、半導体装置の製造方法及びプラズマドーピング装置に関し、特に、基板上にフィン型半導体領域を有する３次元構造の半導体装置において所望の特性を得る上で有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１    真空容器
１Ａ    排気口
２    ガス供給装置
２ａ    不純物原料ガス供給装置
２ｂ    ヘリウム供給装置
２ｃ    炭素原料ガス供給装置
２ｄ    不純物原料ガス供給装置
２ｅ    ヘリウム供給装置
２ｆ    炭素原料ガス供給装置
３    ターボ分子ポンプ
４    調圧弁
５    高周波電源
６    試料電極
７    天板
７ａ    真空容器内面
７ｂ    外面
８    コイル
９    シリコン基板
１０    高周波電源
１１    第１ガス供給配管
１２    基板中央部用ガス吹き出し穴
１３    第２ガス供給配管
１４    基板周辺部用ガス吹き出し穴
１５    第１ガス流路
１６    第２ガス流路
１７    ガス流路形成部材
２０    制御装置
２１    記憶部
ＭＦＣ１    第１マスフローコントローラ
ＭＦＣ２    第２マスフローコントローラ
ＭＦＣ３    第３マスフローコントローラ
ＭＦＣ４    第４マスフローコントローラ
ＭＦＣ５    第５マスフローコントローラ
ＭＦＣ６    第６マスフローコントローラ
１００    半導体基板
１０１    絶縁膜
１０２    フィン型半導体領域
１０２ａ    結晶領域
１０３    ゲート電極
１０４    レジストパターン
１０５    エクステンション領域
１０６    絶縁性サイドウォールスペーサ
１０７    ソース・ドレイン領域
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたフィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて不純物を導入することにより、不純物導入層を形成する工程と、
前記フィン型半導体領域にプラズマドーピング法を用いて炭素を導入することにより、前記不純物導入層の少なくとも一部分と重複するように炭素導入層を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程と、前記炭素導入層を形成する工程とを同一チャンバー内で実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程と、前記炭素導入層を形成する工程とを、前記不純物を含むガスと炭素を含むガスとの混合ガスを用いて同時に実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程は、前記フィン型半導体領域の内部に結晶層を残存させつつ、前記不純物導入層の少なくとも一部分と重複するように、プラズマ中に含まれるイオンの衝撃によってアモルファス層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程の後に、熱処理を行って前記アモルファス層を結晶回復させる工程をさらに備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれを、０．３５ｐａ以下の圧力で実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれを、２５０Ｖ以下のバイアス電圧で実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれのプラズマ処理時間の合計は７２秒以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程及び前記炭素導入層を形成する工程のそれぞれのプラズマ処理時間の合計は、当該両工程での圧力及びバイアス電圧に基づいて予め設定されている上限時間以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物導入層を形成する工程を、ボロン、砒素及びリンの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含む第１のガスを用いて実施し、
前記炭素導入層を形成する工程を、炭素を含む第２のガスを用いて実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガス及び前記第２のガスをそれぞれヘリウムによって希釈して用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２のガスは、炭素と水素とからなるガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガスは、ボロンと水素とからなるガス、砒素と水素とからなるガス、又はリンと水素とからなるガスであり、
前記第２のガスは、炭素と水素とからなり且つ前記第１のガスよりも分子量が小さいガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガスは、Ｂ2 Ｈ6 であり、
前記第２のガスは、ＣＨ4 （メタン）であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガスは、ＡｓＨ3 であり、
前記第２のガスは、ＣＨ4 （メタン）、Ｃ2 Ｈ6 （エタン）、Ｃ3 Ｈ6 （シクロプロパン）、Ｃ3 Ｈ8 （プロパン）、Ｃ4 Ｈ10（ブタン）、又はＣ4 Ｈ10（イソブタン）であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のガスは、ＰＨ3 であり、
前記第２のガスは、ＣＨ4 （メタン）又はＣ2 Ｈ6 （エタン）であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法に用いられるプラズマドーピング装置であって、
前記基板が載置されるチャンバーと、
前記チャンバー内に、前記不純物を含むガスを供給する第１のガス供給部と、
前記チャンバー内に、炭素を含むガスを供給する第２のガス供給部とを備えていることを特徴とするプラズマドーピング装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプラズマドーピング装置において、
前記チャンバー内に、希釈ガスを供給する第３のガス供給部をさらに備えていることを特徴とするプラズマドーピング装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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